O presente trabalho trata do estudo, análise, construção e teste de uma nova configuração para um atuador planar. O dispositivo, que apresenta uma movimentação sobre o plano com dois graus de liberdade a partir de um único dispositivo de tração, é formado por um carro, também chamado de primário, que apresenta dois enrolamentos trifásicos independentes, ortogonais entre si, montados em um núcleo ranhurado de material compósito magneticamente macio de grão isolado; e por um estator, também chamado de secundário, formado por uma chapa de alumínio plana montada sobre um núcleo ferromagnético igualmente plano, formando a área de trabalho ou de movimentação do primário. Através de um acionamento trifásico, os enrolamentos produzem campos magnéticos viajantes, fazendo com que correntes elétricas induzidas apareçam nos materiais eletricamente condutores do secundário. A interação entre os campos magnéticos e as correntes induzidas proporciona o aparecimento de uma força planar de propulsão na direção do campo magnético viajante, responsável pelo deslocamento do primário sobre a área de trabalho, definida pelo secundário. O atuador apresenta uma distribuição espacial da densidade de fluxo magnético em toda a sua estrutura. Este trabalho preocupa-se em analisar analítica, numérica e experimentalmente os fenômenos eletromagnéticos envolvidos, tanto em regime estático como dinâmico. O emprego de duas configurações para o secundário, utilizados separadamente, é investigado: no caso 1 é montado um núcleo de material ferromagnético sobre o qual é colocada uma chapa de alumínio; já no caso 2, é retirado o alumínio do conjunto, mantendo-se o mesmo material ferromagnético, a saber, aço maciço 1020. Uma análise estática e dinâmica, a partir do método dos elementos finitos tornou possível a verificação da densidade de fluxo magnético no entreferro e da distribuição da densidade de corrente elétrica induzidas nos materiais do secundário em função da excitação trifásica dos enrolamentos do primário, bem como a obtenção dos seus efeitos sobre a força planar de propulsão, considerando as duas configurações propostas para o estator. Além disso, pode-se comparar esses resultados, direta ou indiretamente, como os resultados analíticos e experimentais obtidos. Esses resultados apontam que existem diferenças significativas na utilização das duas configurações, indicando que o caso 1, quando utilizado de maneira adequada no sistema, produz uma melhor resposta de força em função da excitação elétrica. / The present work presents the study, analysis, implementation and test of a new type of planar actuator, the induction planar actuator with orthogonal windings. The device, which presents movement over the plan with two degrees of freedom from a unique traction device, is formed by a car, also called primary, which presents two three-phase independent winding, orthogonal among each other, assembled on a slotted core made of grain insulated soft magnetic composite material and by a stator, also called secondary, formed by an aluminum plate assembled over a plan ferromagnetic core equally plan, forming a work area or of primary movement. Through the three-phase operation drive, the windings produce traveling magnetic fields, having the electric induced current to appear at the electrically conductor materials of the secondary. The interaction between the magnetic fields and the induced currents provides the appearance of a planar traction force towards the traveling magnetic field, responsible for the displacement of the primary over the work area, defined by the secondary. The actuator presents magnetic flow density spatial distribution in all its structure. This paper is concerned about analyzing analytically, numerically and experimentally the phenomena involved as in steady as dynamic state. The employment of two settings to the secondary used separately is argued: in case 1 a ferromagnetic core is assembled over which is placed an aluminum plate; in case 2 the aluminum is taken off the setting, maintaining the same ferromagnetic material (steel 1020). Dynamic and statics analysis, from the finite elements method, made the verification of the magnetic flux density possible in the air gap and the distribution of the electric current density induced on the material of the secondary due to the three-phase excitation of the winding of the primary, as well as the obtainment of its effects over the planar traction force, regarding the two settings proposed for the stator. Besides, it’s possible to compare these results, direct or indirectly as analytical and experimental results obtained. These results point the there are meaningful differences at both settings, indicating that case 1, when used adequately in the system, produces better force response due to the electric excitation.

Dans un contexte industriel où l’utilisation de matériaux composites s’est généralisée jusqu’à atteindre les structures primaires, la menace foudre se révèle être une problématique majeure.Avec un coup de foudre en moyenne par an et par avion en service, les nouvelles structures composites, moins bonnes conductrices que leurs prédécesseurs en métal, doivent être protégées. Les protections mises en œuvre par les fabricants et les équipementiers sont des couches minces ajoutées à l’empilement composite, initialement choisi pour le compromis optimal qu’il offre entre résistance et légèreté. L’optimisation et le conseil concernant les protections foudre deviennent alors un enjeu industriel d’importance. Dans ce cadre, le travail de thèse a porté sur l’étude et la compréhension des dommages issus des chocs foudre sur des structures protégées dans le but ultérieur d’optimiser ou de créer des protections adaptées.Nous proposons une méthode qui permet de déterminer les caractéristiques d’un impact mécanique sur une plaque composite nue, équivalent à un choc foudre sur une structure protégée. Une campagne d’essais d’impacts avec un canon du laboratoire couplé à une campagne numérique ont permis de conclure que la stratégie et la méthode d’équivalence sont fondées, et permettent de prendre en compte les paramètres constitutifs de la protection de surface. Les modèles proposés permettront d’aborder les questions de conception des protections. / In an industrial context where more and more composite materials are integrated into primary structures, the lightning threat has become a major issue for aircraft manufacturers. As lightning strikes in service airplane about once a year, the new composite structures, with a lower electrical conductivity than their metallic predecessors, must be protected. The protections already integrated by manufacturers are mainly made of expanded metallic foil layered above the composite lay-up, thus adding weight on the low density structures and reducing the gain of weight. The optimization of such structures and counsel concerning lightning protection become a major industrial stake. In the scope of the PhD work, the proposed work focused on the study of the damage mechanisms due to lightning strikes on protected composite panels in order to optimize or offer adequate protections against this threat. A methodology is proposed to determine a mechanical impact on a bare composite plate equivalent to a protected and even painted structure submitted to a lightning impact. An experimental campaign of mechanical impacts using a canon gas gun coupled to a numerical plan is led and allows concluding on the strategy and its validity by taking into account the state surface of the lightning samples.

Com o aperfeiçoamento de materiais compósitos de alto desempenho, surge a possibilidade do desenvolvimento de estruturas inteligentes, onde atuadores e sensores piezelétricos estão integrados na estrutura com sistemas de controle adequados para a atenuação de vibrações. Projetos multidisciplinares se tornam cada vez mais complexos e sofisticados, envolvendo diversas fontes de incertezas que devem ser analisadas e quantificadas. O escopo principal desse trabalho visa o estudo da propagação de incertezas em estruturas de materiais compósitos laminados com atuadores e sensores piezelétricos, onde entradas e parâmetros do projeto podem ser fontes aleatórias e/ou nebulosas. Para atingir esse objetivo é adotada a metodologia fuzzy, com a aplicação de otimização de cortes-α. Essa técnica é utilizada na presença de informações vagas ou imprecisas acerca da aleatoriedade presente. Nesse estudo projetam-se, através do método dos elementos finitos, estruturas em forma de placa e casca de material compósito laminado com atuadores e sensores piezelétricos acoplados, controlados pelos reguladores Linear Quadratic Regulator (LQR) e Linear Quadratic Gaussian (LQG). Inicialmente são realizados estudos de otimização para encontrar a melhor localização dos componentes piezelétricos pelos Gramianos de controlabilidade e observabilidade, assim como os fatores de ponderação das leis de controle. O desenvolvimento é realizado no espaço modal reduzido visando um melhor desempenho computacional. As métricas escolhidas para avaliação do controle de vibração e análise das saídas incertas do sistema são baseadas nas energias cinética, potencial e elétrica. Também apresentam-se estudos de envelopes relacionados ao deslocamentos e às frequências naturais da estrutura devido às incertezas. Os resultados mostraram que as otimizações por corte-α para tratar números fuzzy nesse tipo de problema são robustas e eficientes, encontrando-se valores extremos das saídas desejadas. Além de ser um método não intrusivo, também pode ser utilizado em problemas com um número elevado de parâmetros incertos como entrada. / The possibility of developments of smart structures arises with high performance composite materials improvements, where piezoelectric actuators and sensors are embedded into the structures, following a suitable control laws for vibration attenuation. Multidisciplinary projects are becoming highly complex and sophisticated, involving several sources of uncertainty that should be analyzed and quantified. The main objective for this work is to study the uncertainty propagation in composite laminate structures with embedded piezoelectric actuators and sensors, considering random and/or fuzzy sources for the inputs and design parameters. To accomplish this objective, it is adopted the fuzzy α-cut optimizations methodology. This technique is used when the available information related to the actual randomness is vague or imprecise. In this study, laminated composite shells and plates structures are designed and analyzed by the finite element method, where embedded piezoelectric actuators and sensors controlled by Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) are present. Initially, optimization analyses are executed to find the best arrangement for the piezoelectric material using controllability and observability Gramians metrics, as well as the best controller parameters. This study is developed in the reduced modal space looking for computational costs savings. The chosen rating metrics for the vibration control and uncertainty analysis are based on kinetic, potential and electrical energies. Structural displacements and natural frequency envelopes due uncertainty are also studied and presented. The results have shown that the fuzzy α-cut optimizations methodology is robust and efficient to find extreme values for the sought outputs. In addition to being a non-intrusive method, it is also able to deal with a large number of uncertain input parameters.

Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização topológica de atuadores piezelétricos em estruturas compostas laminada com o objetivo de atenuar as vibrações estruturais induzidas por excitações externas. Para isso, utiliza-se técnicas de controle ótimo, como o regulador linear quadrático (LQR) e o controlador linear quadrático gaussiano (LQG). Os estados não mensuráveis são estimados através do uso de observadores de estados de ordem completa, usando o filtro de Kalman para a escolha ótima da matriz de ganhos do observador de estados. O problema de otimização topológica é formulado para a localização ótima do atuador piezelétrico composto MFC (Macro Fiber Composite) na camada ativa da placa, determinando a localização mais vantajosa do material MFC através da maximização do índice de controlabilidade. Para o modelo estrutural, é proposto neste trabalho um modelo para a interação entre o atuador MFC e a estrutura. Assume-se que o MFC é uma das lâminas de material ortotrópico que sofre uma deformação inicial a partir da aplicação de um potencial elétrico e que essa deformação terá efeitos sobre o restante da estrutura. Dessa maneira, não é necessário modelar o campo elétrico gerado através dos eletrodos, uma vez que o efeito eletromecânico é considerado analiticamente. A rigidez e a massa do atuador MFC são considerados no modelo estrutural. Os resultados numéricos mostram que o modelo estrutural proposto para representar a interação entre o atuador MFC e a estrutura apresenta boa concordância com resultados experimentais e numéricos encontrados. Além disso, os resultados mostram que a partir do posicionamento ótimo do atuador MFC na estrutura, a técnica de controle implementada permite atenuar as vibrações estruturais. As simulações para uma força de um degrau unitário permitem concluir que a estratégia de controle usando o controlado LQG apresenta melhor desempenho em termos de tempo de assentamento, sobre resposta, amortecimento e sinal de controle, quando comparado com o controlador LQR. / This work presents a topologic optimization methodology of piezoelectric actuators in laminated composite structures with the objective of controlling external perturbation induced by structural vibrations. The Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) optimal control techniques are used. The states are estimated through of the full order state observers, using the Kalman filter to the observer gain matrix. The topology optimization is formulated to find the optimum localization of the Macro Fiber Composite (MFC) active piezoelectric patch, determining the most advantageous location of the MFC, through of the maximization of the controllability index. For the structural model, this work proposes a simplified MFC/structure interaction model. It is assumed that the MFC is one of the orthotropic material layers which has an initial strain arising from the application of an electric potential; this strain acts on the remainder of the structure. This way, modeling the electromechanical interaction between the piezoelectric material and the electric field is unnecessary because this effect is considered analytically. Both the stiffness and the mass of the MFC are taken into account in the structural model. Numerical results show that proposed MFC-structure interaction model presents good agreement with experiments and numerical simulations of models that uses the electromechanical effect. Actuator location optimization results show that the technique implemented improves the structural vibration damping. The response simulations to an unit step force allows to conclude that the control strategy using the LQG controller presents better performance in terms of settling time, overshoot, damping and control signal energy when compared to the LQR controller.

O estudo numérico do comportamento estrutural de materiais compostos apresenta-se, desde os últimos anos, como um campo muito fértil de pesquisas, o que justifica o crescimento exponencial de trabalhos científicos nesta área. Atualmente é possível desenhar as propriedades físicas do material adequando-os ao uso que se queira dar a eles. Especificamente quanto às propriedades mecânicas vinculadas a função estrutural que o material em estudo possa ter, estas podem, na atualidade, ser quantificadas, modificadas e otimizadas. No presente trabalho, explora-se um material composto formado por uma matriz polimérica e uma segunda fase particulada com distribuição aleatória. Para realizar esse estudo foi utilizado o método dos elementos discretos e o método dos elementos finitos. No primeiro caso é apresentado um estudo onde se realizam tentativas de determinar o elemento de volume representativo considerando o comportamento do material como não-linear. No segundo caso, aplicando o método dos elementos finitos, realiza-se um estudo considerando a matriz e a fase particulada com comportamento elástico linear, determinando o elemento de volume representativo e comparando os resultados, em termos de constantes elásticas homogeneizadas, com propostas teóricas fornecidas pela micromecânica clássica. Um estudo da convergência da malha e exercícios de otimização foram realizados sobre o composto simulado. Finalmente, realiza-se um estudo não-linear através do método dos elementos finitos, onde a matriz é elástica e a fase particulada hiperelástica, onde se determina o elemento de volume representativo e se faz aplicações para verificação da eficácia dos resultados. / The numerical study of the composite material mechanical behavior has shown lately a fertile field of research, which justifies the exponential growing of scientific works in this area. Nowadays it is possible to design the material properties adapting them to the usage that we want to give them. Specifically, regarding to the mechanical properties, there are methods that allow us to modify them in a rational way to reach different objectives. In the present work, different aspects are analyzed of a composite material built with a polymeric matrix and a second particulate phase with random distribution. The Discrete Element Method (DEM) and the Finite Element Method (FEM) were used to carry out the present work. Firstly, an application of DEM, a study of different alternatives is shown to determine the volume representative element (RVE) considering the non-linear behavior of the studied material. Secondly, an application of FEM, a study considering the matrix and particulate phase, both, with linear elastic behavior. This application consists on computing the RVE and comparing these results with analytical proposals available in the Micromechanics classical bibliography. A mesh convergence study of the FEM models used and simple applications of optimization are also presented. Finally, another application of FEM is presented. In this case a non linear study is shown, where the matrix is considered linear elastic, and the particulate phase is hyperelastic. In this case the RVE was determined and some applications to verify the consistency of the results obtained are presented.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:41:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:07:26Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Com o aperfeiçoamento de materiais compósitos de alto desempenho, surge a possibilidade do desenvolvimento de estruturas inteligentes, onde atuadores e sensores piezelétricos estão integrados na estrutura com sistemas de controle adequados para a atenuação de vibrações. Projetos multidisciplinares se tornam cada vez mais complexos e sofisticados, envolvendo diversas fontes de incertezas que devem ser analisadas e quantificadas. O escopo principal desse trabalho visa o estudo da propagação de incertezas em estruturas de materiais compósitos laminados com atuadores e sensores piezelétricos, onde entradas e parâmetros do projeto podem ser fontes aleatórias e/ou nebulosas. Para atingir esse objetivo é adotada a metodologia fuzzy, com a aplicação de otimização de cortes-α. Essa técnica é utilizada na presença de informações vagas ou imprecisas acerca da aleatoriedade presente. Nesse estudo projetam-se, através do método dos elementos finitos, estruturas em forma de placa e casca de material compósito laminado com atuadores e sensores piezelétricos acoplados, controlados pelos reguladores Linear Quadratic Regulator (LQR) e Linear Quadratic Gaussian (LQG). Inicialmente são realizados estudos de otimização para encontrar a melhor localização dos componentes piezelétricos pelos Gramianos de controlabilidade e observabilidade, assim como os fatores de ponderação das leis de controle. O desenvolvimento é realizado no espaço modal reduzido visando um melhor desempenho computacional. As métricas escolhidas para avaliação do controle de vibração e análise das saídas incertas do sistema são baseadas nas energias cinética, potencial e elétrica. Também apresentam-se estudos de envelopes relacionados ao deslocamentos e às frequências naturais da estrutura devido às incertezas. Os resultados mostraram que as otimizações por corte-α para tratar números fuzzy nesse tipo de problema são robustas e eficientes, encontrando-se valores extremos das saídas desejadas. Além de ser um método não intrusivo, também pode ser utilizado em problemas com um número elevado de parâmetros incertos como entrada. / The possibility of developments of smart structures arises with high performance composite materials improvements, where piezoelectric actuators and sensors are embedded into the structures, following a suitable control laws for vibration attenuation. Multidisciplinary projects are becoming highly complex and sophisticated, involving several sources of uncertainty that should be analyzed and quantified. The main objective for this work is to study the uncertainty propagation in composite laminate structures with embedded piezoelectric actuators and sensors, considering random and/or fuzzy sources for the inputs and design parameters. To accomplish this objective, it is adopted the fuzzy α-cut optimizations methodology. This technique is used when the available information related to the actual randomness is vague or imprecise. In this study, laminated composite shells and plates structures are designed and analyzed by the finite element method, where embedded piezoelectric actuators and sensors controlled by Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) are present. Initially, optimization analyses are executed to find the best arrangement for the piezoelectric material using controllability and observability Gramians metrics, as well as the best controller parameters. This study is developed in the reduced modal space looking for computational costs savings. The chosen rating metrics for the vibration control and uncertainty analysis are based on kinetic, potential and electrical energies. Structural displacements and natural frequency envelopes due uncertainty are also studied and presented. The results have shown that the fuzzy α-cut optimizations methodology is robust and efficient to find extreme values for the sought outputs. In addition to being a non-intrusive method, it is also able to deal with a large number of uncertain input parameters.

O presente trabalho trata do estudo, análise, construção e teste de uma nova configuração para um atuador planar. O dispositivo, que apresenta uma movimentação sobre o plano com dois graus de liberdade a partir de um único dispositivo de tração, é formado por um carro, também chamado de primário, que apresenta dois enrolamentos trifásicos independentes, ortogonais entre si, montados em um núcleo ranhurado de material compósito magneticamente macio de grão isolado; e por um estator, também chamado de secundário, formado por uma chapa de alumínio plana montada sobre um núcleo ferromagnético igualmente plano, formando a área de trabalho ou de movimentação do primário. Através de um acionamento trifásico, os enrolamentos produzem campos magnéticos viajantes, fazendo com que correntes elétricas induzidas apareçam nos materiais eletricamente condutores do secundário. A interação entre os campos magnéticos e as correntes induzidas proporciona o aparecimento de uma força planar de propulsão na direção do campo magnético viajante, responsável pelo deslocamento do primário sobre a área de trabalho, definida pelo secundário. O atuador apresenta uma distribuição espacial da densidade de fluxo magnético em toda a sua estrutura. Este trabalho preocupa-se em analisar analítica, numérica e experimentalmente os fenômenos eletromagnéticos envolvidos, tanto em regime estático como dinâmico. O emprego de duas configurações para o secundário, utilizados separadamente, é investigado: no caso 1 é montado um núcleo de material ferromagnético sobre o qual é colocada uma chapa de alumínio; já no caso 2, é retirado o alumínio do conjunto, mantendo-se o mesmo material ferromagnético, a saber, aço maciço 1020. Uma análise estática e dinâmica, a partir do método dos elementos finitos tornou possível a verificação da densidade de fluxo magnético no entreferro e da distribuição da densidade de corrente elétrica induzidas nos materiais do secundário em função da excitação trifásica dos enrolamentos do primário, bem como a obtenção dos seus efeitos sobre a força planar de propulsão, considerando as duas configurações propostas para o estator. Além disso, pode-se comparar esses resultados, direta ou indiretamente, como os resultados analíticos e experimentais obtidos. Esses resultados apontam que existem diferenças significativas na utilização das duas configurações, indicando que o caso 1, quando utilizado de maneira adequada no sistema, produz uma melhor resposta de força em função da excitação elétrica. / The present work presents the study, analysis, implementation and test of a new type of planar actuator, the induction planar actuator with orthogonal windings. The device, which presents movement over the plan with two degrees of freedom from a unique traction device, is formed by a car, also called primary, which presents two three-phase independent winding, orthogonal among each other, assembled on a slotted core made of grain insulated soft magnetic composite material and by a stator, also called secondary, formed by an aluminum plate assembled over a plan ferromagnetic core equally plan, forming a work area or of primary movement. Through the three-phase operation drive, the windings produce traveling magnetic fields, having the electric induced current to appear at the electrically conductor materials of the secondary. The interaction between the magnetic fields and the induced currents provides the appearance of a planar traction force towards the traveling magnetic field, responsible for the displacement of the primary over the work area, defined by the secondary. The actuator presents magnetic flow density spatial distribution in all its structure. This paper is concerned about analyzing analytically, numerically and experimentally the phenomena involved as in steady as dynamic state. The employment of two settings to the secondary used separately is argued: in case 1 a ferromagnetic core is assembled over which is placed an aluminum plate; in case 2 the aluminum is taken off the setting, maintaining the same ferromagnetic material (steel 1020). Dynamic and statics analysis, from the finite elements method, made the verification of the magnetic flux density possible in the air gap and the distribution of the electric current density induced on the material of the secondary due to the three-phase excitation of the winding of the primary, as well as the obtainment of its effects over the planar traction force, regarding the two settings proposed for the stator. Besides, it’s possible to compare these results, direct or indirectly as analytical and experimental results obtained. These results point the there are meaningful differences at both settings, indicating that case 1, when used adequately in the system, produces better force response due to the electric excitation.

Introduction: Adhesive technology represents a significant advancement among different treatment options of dental caries. Its advantages involve not only highly aesthetic reconstructions, but also ability to preserve hard dental tissues compared to more traditional filling materials such as amalgam, where the material retention was achieved through undercuts. A potential of adhesive technology to arrest progression of an incipient caries has triggered its wider use in dental caries management, potentiated by an ongoing development of new adhesive systems and composite materials that assure an acceptable long-term stability of adhesive reconstructions. Adhesive bonds of dental reconstructions are in the oral cavity constantly challenged by various mechanical, chemical and biological factors. One of the chemical agents with detrimental potential is peroxide bleaching gel used for teeth brightening. Currently bleaching belongs to the most frequent cosmetic dental procedures. The active ingredient of bleaching gels is hydrogen peroxide or its precursors. It is assumed that free oxygen radicals released from peroxides attack double bonds of chromophore molecules captured within the tooth tissues. Because of the high reactivity and nonspecific nature of these oxygen radicals, they may affect also dental...

Introduction: An adhesive bond between hard dental tissues and composite reconstructions is exposed to mechanical load, water, bacteria, enzymes and different chemical compounds. These factors could impair durability and resistance of composite reconstructions. In contrast with extensive research of negative influence of water on degradation of adhesive bonds, the influence of chemical substances on adhesive bond has not been investigated to a greater extent. Aim: The aim of the experimental part of the thesis was to evaluate the influence of hydrogen peroxide containing tooth-whitening products and mouth rinses containing chlorhexidine and fluoride on a long-term stability of class V composite restorations created using four contemporary adhesive systems by a microleakage method. Materials and methods: The following adhesive systems were investigated: total-etch Gluma Comfort Bond (GLU), and self-etch adhesives Clearfil SE Bond (CLF), Adper Prompt (ADP) and iBond (IBO). Standardized class V cavities were prepared in 192 extracted human teeth (one cervical margin in the cementum and one in the enamel). Subsequently, the cavities were restored using microhybride composite Charisma. The specimens were then exposed to the tooth whitening system Opalescence PF 20, mouth rinse Corsodyl containing...