Orientador: Vicente Lopes Junior / Resumo: A ideia central deste trabalho é utilizar o método dos Elementos Espectrais (SEM, do inglês Spectral Element Method) para aplicações de controle ativo de vibrações e monitoramento da integridade estrutural (SHM, do inglês Structural Health Monitoring). Diversos trabalhos têm abordado estes tópicos de forma independente. No entanto, para aplicações reais de engenharia, utilizar os mesmos atuadores, sensores e sistemas de aquisição de dados para controle e monitoramento pode reduzir investimentos e simplificar processos. Por esta motivação, este trabalho apresenta um estudo de modelos espectrais para estruturas do tipo viga considerando aplicações de controle de vibrações e monitoramento da integridade estrutural. Na modelagem são considerados os modelos de vigas de Euler-Bernoulli e Timoshenko, além de transdutores piezelétricos acoplados. A técnica de controle clássico PID (Proporcional, Integral, Derivativo) é explorada e uma nova modelagem é proposta para se considerar técnicas modernas de controle por realimentação de estados na formulação espectral. Em particular, discute-se o controlador LQR (do inglês, Linear Quadratic Regulator), no entanto, a metodologia permite se considerar outras técnicas de controle por realimentação baseada na representação no espaço de estados. Também, especificamente para monitoramento estrutural, no presente trabalho de tese apresenta-se uma discussão sobre índices de detecção de danos. Índices de detecção calculados a partir de sinais experimen... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The main idea of this thesis is to use the Spectral Element Method (SEM), in applications of Active Vibration Control (AVC) and Structural Health Monitoring (SHM). These two topics have been approached in several works, but in an independent way. However, for real engineering applications, to use the same actuators, sensors and data acquisition systems to active control and structural monitoring can reduce the costs and simplify processes. For this reason, this thesis presents a study of spectral models for beam-like structures considering applications of vibration control and structural health monitoring. The Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are used in the spectral modelling and the piezelectric transducers bonded in the structures are also considered. A classical control technique, PID (Proportional, Integral, Derivative) is explored and a new modelling approach to consider modern control methods of state feedback is proposed in spectral formulation. In particular, the Linear Quadratic Regulator (LQR) is discussed, however, this methodology allows for any other state feedback control techniques based in state space representation. Also, specifically for structural monitoring, is presented a discussion about damage detection indices. Detection indices computed from experimental data have been widely used in SHM studies. However, little has been clarified about their behaviours due to structural characteristics and damages. In this context, this work presents a d... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Submitted by Kilvya Braga (kilvyabraga@hotmail.com) on 2018-04-23T13:32:14Z No. of bitstreams: 1 ROANA D'ÁVILA SOUZA MONTEIRO - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2015.pdf: 3977570 bytes, checksum: e1760f7cd8bdc07cce68f5b1aedd33a2 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-23T13:32:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ROANA D'ÁVILA SOUZA MONTEIRO - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2015.pdf: 3977570 bytes, checksum: e1760f7cd8bdc07cce68f5b1aedd33a2 (MD5) Previous issue date: 2015-08-31 / Capes / As Ligas com Memória de Forma (LMF) constituem uma classe de materiais metálicos que possuem a capacidade de recuperar uma deformação pseudo plástica, introduzida por aplicação de carga mecânica, e retornar à sua forma original através de um simples aquecimento. O principal interesse nos atuadores de LMF utilizados no formato de molas helicoidais reside no grande deslocamento proporcionado pelo fenômeno de Efeito Memória de Forma (EMF), que permite a realização de trabalho mecânico quando este componente é submetido a diferentes condições de temperatura e cargas mecânica. No caso de elementos de LMF em estado de superelasticidade (SE) na temperatura ambiente, quando a carga mecânica é aplicada e mantida sob o material, a deformação originada pela formação de martensita induzida por tensão poderá também ser revertida por meio de um aquecimento. Nesse caso, tem-se um EMF em um elemento de LMF originalmente superelástico. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é realizar a caracterização eletromecânica de uma mini mola superelástica de LMF NiTi (Nitinol) quando submetida a um carregamento mecânico constante, avaliando a influência da taxa de variação da corrente elétrica e do aumento da carga mecânica nas temperaturas de transformação, além de determinar o comportamento do deslocamento com a variação de resistência elétrica. Para isso, foi desenvolvida uma plataforma experimental capaz de submeter a mini mola a carregamento mecânico constante (peso) e sinais de corrente elétrica variáveis com o tempo. Verificou-se que, para todas as cargas mecânicas e níveis de corrente elétrica, os resultados para a taxa de variação da corrente elétrica mais lenta (6 mA/s) apresentou uma melhor resposta em deslocamento e na variação da resistência elétrica quando comparados com a taxa mais rápida (12 mA/s), embora esta última resulte em um comportamento histerético mais estreito (resistência elétrica versus deslocamento). Também foi observado um aumento das temperaturas de transformação com o aumento da carga mecânica, como esperado pela lei de Clausius-Clayperon para LMF. Finalmente, foi verificada uma relação praticamente linear entre a variação do deslocamento e a variação de resistência elétrica, no aquecimento e no resfriamento. / The Shape Memory Alloys (SMA) are a class of metallic materials that have the ability to recover pseudo plastic deformation introduced by the application of mechanical load, and return to original shape by heating. The main interest in the SMA actuators used in the form of coil springs lies in the large displacement provided by the shape memory effect (SME) phenomenon, which allows performing mechanical work when the component is subjected to varying conditions of temperatures and mechanical loads. In the case of SMA elements in a state of superelasticity (SE) at room temperature, when mechanical load is applied and maintained on the material, the deformation caused by the formation of stress induced martensite can be reversed by heating. In this case, we have a SME in a SMA element originally superelastic. In this context, the objective of this work is to realize the electromechanical characterization of a superelastic mini coil spring of Ni-Ti SMA (Nitinol), when subjected to a constant mechanical loading, evaluating the influence of the electric current rate, the influence of mechanical load on the phase transformation temperatures, and determining the displacement behavior to the variation of electrical resistance. For this, an experimental platform was developed to submit the mini spring under constant load (dead weight) to electric current signals varying with time. It was found that for all mechanical loads and electrical current levels, the results for the slower rate of change electrical current (6 mA/s) showed a better response in displacement and the variation in the electrical resistance when compared to faster rate (12 mA/s), although the faster rate present a narrower hysteretic behavior (electrical resistance vs displacement). There was also verified an increase in phase transformation temperatures with increased mechanical load, as expected by the Clausius-Clayperon law for SMA. Finally, a practically linear relationship was found between the change in displacement with the variation in electrical resistance, during heating and cooling.

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

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-14T11:21:59Z No. of bitstreams: 1 joaopauloananiassilva.pdf: 3095899 bytes, checksum: 88e8d49f662cce4952a994126dbb718b (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-16T13:00:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 joaopauloananiassilva.pdf: 3095899 bytes, checksum: 88e8d49f662cce4952a994126dbb718b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-16T13:00:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 joaopauloananiassilva.pdf: 3095899 bytes, checksum: 88e8d49f662cce4952a994126dbb718b (MD5) Previous issue date: 2016-09-12 / Este trabalho objetiva explorar a generalização e flexibilização da modelagem matemáticaparasimulaçãonuméricadasdinâmicasdecurtoelongoprazodoscomponentes dos sistemas elétricos de potência. Para isto, é apresentada uma metodologia que busca explicitar os elementos integradores mostrando como estes podem ser manipulados visando tornar a solução das dinâmicas em sistemas de potência mais flexível. Ao explicitar o elemento integrador é possível flexibilizar a escolha do método de integração, o cálculo das condições iniciais para as variáveis de estado e, inclusive, a estratégia para eliminação de dinâmicas dependendo do estudo a ser realizado. O método empregado para a solução do conjunto de equações algébrico-diferenciais é o simultâneo, ou seja, a rede é solucionada juntamente com as equações que modelam os equipamentos. Este conjunto é obtido através da conversão das equações diferenciais em equações das diferenças, empregando o método de integração trapezoidal, formando um único conjunto algébrico e não linear, que é resolvido pelo método de Newton-Raphson. Todos os aspectos discutidos neste trabalho referentes a modelagem matemática são empregados no desenvolvimento de uma ferramenta de simulação flexível utilizando a linguagem de programação Python. Por fim, a metodologia proposta e a ferramenta são avaliadas através do estudo de três sistemas teste. Os resultados obtidos são comparados aos do programa ANATEM e, na sequência, é realizada uma análise do desempenho computacional. / This work aims to explore the generalisation and flexibility of mathematical modelling to numerical simulation of dynamic short and long-term components of electric power systems. Thus, it is presented a methodology that seeks to clarify the integrating elements showing how these can be manipulated in order to make the solution of dynamics in power systems more flexible. After the integrating element be explained, it is possible to make the choice of integration method flexible, the calculation of initial conditions for the state variables and even the strategy for eliminating dynamics depending on the study to be performed. It was used the simultaneous method to solve the set of algebraic-differential equations. In other words, the network and the equations that model the equipment are solved in a single set of equations and simultaneously. It was used the trapezoidal integration method to convert the differential equations into difference equations. This process generates a non-linear algebraic set, which is solved by the Newton-Raphson method. Every aspect discussed in this work regarding the mathematical modelling are employed in the development of a flexible simulation tool using the Python programming language. Finally, the proposed methodology and the tool are evaluated by studying three different test systems. The obtained results are compared to the ANATEM program, following a computational efficiency analysis.

Submitted by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2013-02-14T15:22:56Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_InvestigacaoExperimentalEstrategias.pdf: 9412323 bytes, checksum: 50583a37f03cba4a2d9ea1e386b33b19 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva(arosa@ufpa.br) on 2013-02-14T16:50:29Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_InvestigacaoExperimentalEstrategias.pdf: 9412323 bytes, checksum: 50583a37f03cba4a2d9ea1e386b33b19 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-02-14T16:50:29Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_InvestigacaoExperimentalEstrategias.pdf: 9412323 bytes, checksum: 50583a37f03cba4a2d9ea1e386b33b19 (MD5) Previous issue date: 2012-06-29 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Nesta tese e realizada a investigação experimental de uma estratégia de controle LPV (do inglês, linear parameter varying) aplicada ao amortecimento de oscilações eletromecânicas em sistemas elétricos de potencia. O estudo foi realizado em um modelo de sistema de potencia em escala reduzida de 10kVA, cuja configuração e do tipo maquina interligada a uma barra infinita, alem de testes em campo em uma unidade geradora de 350 MVA da Usina Hidrelétrica de Tucuruvi. Primeiramente, foi desenvolvido e testado computacionalmente um conjunto de rotinas para analise e síntese de controlador amortecedor do tipo LPV, bem como para identificação de modelos LPV da planta. Os coeficientes do controlador amortecedor LPV, no caso um Estabilizador de Sistemas de Potencia (ESP), dependem do valor de uma variável de operação selecionada que, neste estudo, foram as potencias ativa (P) e reativa (Q) nos terminais da unidade geradora. Para fins de projeto, a dinâmica da planta foi representada através de um modelo ARX LPV, o qual foi estimado a partir de dados coletados experimentalmente na planta, para uma ampla faixa de condições operacionais. A partir do modelo LPV da planta, os valores dos parâmetros do ESP LPV foram determinados via um problema de otimização convexa, na forma de uma LMI parametrizada (PLMI). A solução da PLMI e obtida a partir de uma relaxação via decomposição em soma de quadrados. O ESP LPV foi projetado de modo a garantir a estabilidade e o desempenho do sistema para uma ampla faixa de condições operacionais da planta, o que geralmente não e possível de obter com controladores convencionais a parâmetros fixos. A lei de controle amortecedor do ESP LPV foi implementada em um sistema embarcado baseado em um controlador digital de sinais. Os resultados experimentais mostraram um excelente desempenho do ESP LPV no amortecimento de oscilações eletromecânicas, tanto no sistema de potencia em escala reduzida, quanto em uma unidade geradora da UHE de Tucurui. / In this thesis is performed an experimental investigation of the performance of a LPV (linear parameter varying) control strategy applied to damp electromechanical oscillations in electric power systems. The study was performed in a 10kVA electric power system, which is configured as a single machine connected to an infinite bus. Furthermore, were also performed field tests on a generating unit of Tucurui Hydroelectric Power Plant. Firstly, a set of routines for the analysis and synthesis of LPV damping controllers were developed and tested computationally, along with routines for the identification of LPV models of the plant. The coefficients of the LPV damping controller, in this case a power system stabilizer (PSS), depends on the value of a variable representative of the system operating condition (scheduling parameter), which in this study, were the terminal active power (P) and reactive power (Q) of the generating unit. For control ends, the dynamics of the plant was represented by an ARX LPV model, which was estimated from experimental data collected in the plant for a wide range of operating conditions. From the LPV model of the plant, the values of the parameters of the LPV controller were determined via an optimization problem, in the form of a parameterized LMI (PLMI). The solution of PLMI is obtained from a relaxation via sum-of-squares decomposition. The LPV PSS was designed to ensure stability and performance for a wide range of operating conditions of the plant, which is generally not possible to obtain with conventional fixed parameter controllers. The LPV PSS control law was implemented in an embedded system based on a digital signal controller. The experimental results showed an excellent performance of the LPV PSS on the damping of the electromechanical oscillations both in the 10kVA electric microgenerator system, and in the Tucurui generating unit.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de sistemas inteligentes aplicados ao monitoramento de estruturas aeronáuticas abordando dois modelos distintos: o primeiro é a análise e classificação de imagens de ultrassom de estruturas aeronáuticas com objetivo de apoiar decisões em reparo de estruturas aeronáuticas. Foi definido como escopo do trabalho uma seção transversal da asa da aeronave modelo Boeing 707. Após a remoção de material superficial em áreas comprometidas por corrosão, é realizada a medição da espessura ao longo da área da peça. Com base nestas medições, a Engenharia realiza a análise estrutural, observando os limites determinados pelo manual de manutenção e determina a necessidade ou não de reparo. O segundo modelo compreende o método de impedância eletromecânica. É proposto o desenvolvimento de um sistema de monitoramento de baixo custo aplicado em uma barra de alumínio aeronáutico com 10 posições de fixação de porcas e parafusos. O objetivo do sistema é avaliar, a partir das curvas de impedância extraídas do transdutor PZT fixado na barra, sua capacidade de classificar a existência ou não de um dano na estrutura e, em caso de existência do dano, indicar sua localização e seu grau de severidade. Foram utilizados os seguintes classificadores neste trabalho: máquina de vetor de suporte, redes neurais artificiais e K vizinhos mais próximos. / This work presents the development of intelligent systems applied to the monitoring of aircraft structures addressing two distinct models: the first is the analysis and classification of ultrasound images of aircraft structures in order to support decisions on repair of aircraft structures. A scope of work was defined as a cross section of the wing of the aircraft model Boeing 707. After the removal of surface material in damaged areas by corrosion, thickness measurements in the whole structure are evaluated. Based on the measurements, the Engineering performs structural analysis, observing the limits determined by the maintenance manual and determining the necessity of repair. The second model includes the method of electromechanical impedance. It is proposed to develop a low cost monitoring system applied to an aircraft aluminum bar with 10 positions for fixing nuts and bolts. The goal of the system is to classify an impedance curve in the condition of the aluminum bar if there is or not a damage to the structure and, in case of the existence of damage, indicating their position in the aluminum bar and if the damage is severe or not. The following classifiers were used in this work: support vector machine, artificial neural networks and K nearest neighbors.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de sistemas inteligentes aplicados ao monitoramento de estruturas aeronáuticas abordando dois modelos distintos: o primeiro é a análise e classificação de imagens de ultrassom de estruturas aeronáuticas com objetivo de apoiar decisões em reparo de estruturas aeronáuticas. Foi definido como escopo do trabalho uma seção transversal da asa da aeronave modelo Boeing 707. Após a remoção de material superficial em áreas comprometidas por corrosão, é realizada a medição da espessura ao longo da área da peça. Com base nestas medições, a Engenharia realiza a análise estrutural, observando os limites determinados pelo manual de manutenção e determina a necessidade ou não de reparo. O segundo modelo compreende o método de impedância eletromecânica. É proposto o desenvolvimento de um sistema de monitoramento de baixo custo aplicado em uma barra de alumínio aeronáutico com 10 posições de fixação de porcas e parafusos. O objetivo do sistema é avaliar, a partir das curvas de impedância extraídas do transdutor PZT fixado na barra, sua capacidade de classificar a existência ou não de um dano na estrutura e, em caso de existência do dano, indicar sua localização e seu grau de severidade. Foram utilizados os seguintes classificadores neste trabalho: máquina de vetor de suporte, redes neurais artificiais e K vizinhos mais próximos. / This work presents the development of intelligent systems applied to the monitoring of aircraft structures addressing two distinct models: the first is the analysis and classification of ultrasound images of aircraft structures in order to support decisions on repair of aircraft structures. A scope of work was defined as a cross section of the wing of the aircraft model Boeing 707. After the removal of surface material in damaged areas by corrosion, thickness measurements in the whole structure are evaluated. Based on the measurements, the Engineering performs structural analysis, observing the limits determined by the maintenance manual and determining the necessity of repair. The second model includes the method of electromechanical impedance. It is proposed to develop a low cost monitoring system applied to an aircraft aluminum bar with 10 positions for fixing nuts and bolts. The goal of the system is to classify an impedance curve in the condition of the aluminum bar if there is or not a damage to the structure and, in case of the existence of damage, indicating their position in the aluminum bar and if the damage is severe or not. The following classifiers were used in this work: support vector machine, artificial neural networks and K nearest neighbors.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O câncer de mama é um problema de saúde pública e possui a maior incidência e mortalidade na população feminina em todo o mundo. A detecção precoce do câncer de mama é essencial para redução da morbidade e mortalidade associadas a esta doença. Alguns dos métodos usados para detecção dos tumores mamários são a ultrassonografia, a imagem por ressonância magnética (MRI), a tomografia por emissão de pósitrons (PET), a tomossíntese e a mamografia, recomendada como técnica de rastreamento. Cada um dos métodos apresenta vantagens e desvantagens, como provocar desconforto ao paciente durante a realização dos exames, possíveis reações ao agente de contraste, emissão de radiação, dependência do operador para análise dos resultados, dificuldade de detecção em tecidos densos, falta de acessibilidade para pessoas com deficiência ou baixa mobilidade, alto custo e produção de rejeitos radioativos. O objetivo principal deste trabalho é aplicar os métodos de impedância eletromecânica e térmica na detecção de inclusões para que possam ser futuramente usados como técnicas alternativas às já existentes na identificação de tumores mamários. A aplicação do método da impedância eletromecânica que utiliza transdutores piezelétricos, atuando simultaneamente como sensor e atuador, acoplados à estrutura analisada permite o monitoramento das mudanças da massa, rigidez e/ou amortecimento e a consequente detecção da inclusão. O mesmo procedimento é aplicado no método da impedância térmica que, por sua vez, consiste na razão entre a variação da resposta da temperatura superficial da estrutura em função da aplicação de um fluxo de calor externo. A detecção das inclusões torna-se possível devido a definições de métricas de dano que são parâmetros estatísticos capazes de representar numericamente a diferença entre duas medições antes e após o dano. A metodologia proposta é validada experimentalmente através da aplicação em materiais hiperplásticos de geometria simples e complexa. Amostras de silicone e modelos de aplicação médica são analisadas. Os métodos de impedância propostos apontaram, preliminarmente, para uma maior sensibilidade da técnica a inclusões menores, de 10 mm de diâmetro para os testes realizados. Além disso, observou-se que o aquecimento externo imposto aos modelos e a presença de geração de calor nas inclusões auxiliou na detecção. Um teste qualitativo foi realizado in vivo para a análise do potencial de uso da impedância eletromecânica em aplicações clínicas. Este trabalho apresenta contribuições importantes, não só no campo da engenharia biomecânica, mas também na análise do comportamento estrutural, ampliando as aplicações de técnicas de dano em materiais hiperelásticos, assim como, propondo o uso da impedância térmica como um novo parâmetro para identificação de inclusões ou falhas estruturais em ensaios não destrutivos. / Breast cancer is a public health problem and has the highest incidence and mortality in the female population worldwide. Early detection of breast cancer is essential for reducing the morbidity and mortality associated with this disease. Some of the methods used to detect breast tumors are ultrasonography, magnetic resonance imaging (MRI), positron emission tomography (PET), tomosynthesis and mammography, which is recommended as a screening technique. Each method has its advantages and disadvantages, such as discomfort to the patient during the exams, possible reactions to the contrast agent, radiation emission, operator dependence for the analysis of results, difficulty for detection in dense tissues, lack of accessibility for people with disabilities or low mobility, high cost and radioactive waste production. The main objective of this work is to apply the electromechanical and thermal impedance methods in the detection of inclusions, in order to be used, in the future, as alternative techniques to those already existent for the identification of breast tumors. The application of the electromechanical impedance method using piezoelectric transducers, acting simultaneously as a sensor and actuator, coupled to the analyzed structure allows the monitoring of mass, rigidity and/or damping variations, and consequent detection of the inclusion. The same procedure is applied in the thermal impedance method, which consists of the ratio between the gradient of the surface temperature response of the structure as a function of the application of an external heat flow. The detection of inclusions is possible due to the damage metrics that are statistical parameters capable of numerically representing the difference between two measurements before and after the damage. The proposed methodology is validated experimentally through the application in hyperplastic materials of simple and complex geometry. Silicone samples and medical application models are analyzed. The proposed impedance methods preliminarily presented a higher sensitivity of the technique to smaller inclusions of 10 mm in diameter for the tests performed. In addition, it was observed that the external heating imposed on the models and the presence of heat generation in the inclusions aided in the detection. A qualitative test was performed in vivo to analyze the potential of the use of electromechanical impedance in clinical applications. This work presents important contributions not only in the field of biomechanical engineering, but also in the analysis of structural behavior, expanding the applications of damage techniques in hyperelastic materials, as well as proposing the use of thermal impedance as a new parameter for identification of inclusions or structural failures in nondestructive testing. / Tese (Doutorado)

Made available in DSpace on 2016-08-17T14:53:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Raimundo Nonato Diniz.pdf: 3599082 bytes, checksum: 5e6a5df5d6046a848205e71a3d63c95f (MD5) Previous issue date: 2014-02-21 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work the influence of FACTS (Flexible AC Transmission Systems) Controllers and power system stabilizers (PSS) on electromechanical stability of electrical power systems (EPS) is analyzed considering their technical and economic impact in the operation and planning. FACTS Controllers most employees in practical applications were considered in this study, the Static VAr Compensator (SVC) and Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC), in addition to the PSS. For the technical and economic evaluation of the impact of FACTS and PSS in power systems a methodology based on indices of electromechanical small-signal and transient stability has been developed. Software packages PacDyn and ANATEM, including ANAREDE, all produced by CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica), were used to analyze the technical impact of SVC, TCSC and PSS on electromechanical stability enhancement. The economic analysis was based on the use of software package PSAT (Power Systems Analysis Toolbox). As part of the technical evaluation, coordination and tuning of the parameters of PSS and FACTS Controllers were conducted using artificial intelligence techniques in order to obtain the best optimal values. The proposed methodology was applied to test systems and a configuration of the Brazilian Interconnected System (SIN - Sistema Interligado Nacional) modeled with 50 generators and 616 buses. / Neste trabalho é analisada a influência dos Controladores FACTS (Flexible AC Transmission Systems) e dos estabilizadores de sistemas de potência ou PSS (Power System Stabilizers) na estabilidade eletromecânica dos sistemas de energia elétrica (SEE), considerando o seu impacto técnico e econômico na operação e planejamento. Os Controladores FACTS mais empregados na prática foram considerados nesta pesquisa, o compensador estático de potência reativa ou SVC (Static VAr Compensator) e o capacitor série controlado a tiristores ou TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor), além dos PSS. Para a avaliação técnico-econômica do impacto dos FACTS e PSS nos SEE foi desenvolvida uma metodologia baseada em índices de estabilidade eletromecânica a pequenas perturbações e de estabilidade transitória. Na análise técnica foram utilizados os programas PacDyn e ANATEM, além do ANAREDE, todos desenvolvidos pelo CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica). A análise econômica baseou-se no uso do aplicativo PSAT (Power Systems Analysis Toolbox). Como parte da avaliação técnica a coordenação e sintonização dos parâmetros dos PSS, SVC e TCSC foram conduzidas utilizando métodos de inteligência artificial de forma a obter os melhores valores ótimos. A metodologia proposta foi aplicada a sistemas teste e a uma configuração do Sistema Interligado Nacional (SIN) modelado com 50 geradores e 616 barras.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The basic concept of impedance-based structure health monitoring is measuring the variation of the electromechanical impedance of the structure as caused by the presence of damage by using patches of piezoelectric material bonded on the surface of the structure (or embedded into). The measured electrical impedance of the PZT patch is directly related to the mechanical impedance of the structure. That is why the presence of damage can be detected by monitoring the variation of the impedance signal. In order to quantify damage, a metric is specially defined, which allows to assign a characteristic scalar value to the fault. This study initially evaluates the influence of environmental conditions in the impedance measurement, such as temperature, magnetic fields and ionic environment. The results show that the magnetic field does not influence the impedance measurement and that the ionic environment influences the results. However, when the sensor is shielded, the effect of the ionic environment is significantly reduced. The influence of the sensor geometry has also been studied. It has been established that the shape of the PZT patch (rectangular or circular) has no influence on the impedance measurement. However, the position of the sensor is an important issue to correctly detect damage. This work presents the development of a low-cost portable system for impedance measuring to automatically measure and store data from 16 PZT patches, without human intervention. One fundamental aspect in the context of this work is to characterize the damage type from the various impedance signals collected. In this sense, the techniques of artificial intelligence known as neural networks and fuzzy cluster analysis were tested for classifying damage of aircraft structures, obtaining satisfactory results. One last contribution of the present work is the study of the performance of the electromechanical impedance-based structural health monitoring technique to detect damage in structures under dynamic loading. Encouraging results were obtained for this aim. / O conceito básico da técnica de integridade estrutural baseada na impedância tem a ver com o monitoramento da variação da impedância eletromecânica da estrutura, causada pela presença alterações estruturais, através de pastilhas de material piezelétrico coladas na superfície da estrutura ou nela incorporadas. A impedância medida se relaciona com a impedância mecânica da estrutura. A partir da variação dos sinais de impedância pode-se concluir pela existência ou não de uma falha. Para quantificar esta falha, métricas de dano são especialmente definidas, permitindo atribuir-lhe um valor escalar característico. Este trabalho pretende inicialmente avaliar a influência de algumas condições ambientais, tais como os campos magnéticos e os meios iônicos na medição de impedância. Os resultados obtidos mostram que os campos magnéticos não tem influência na medição de impedância e que os meios iônicos influenciam os resultados; entretanto, ao blindar o sensor, este efeito se reduz consideravelmente. Também foi estudada a influencia da geometria, ou seja, do formato do PZT e da posição do sensor com respeito ao dano. Verificou-se que o formato do PZT não tem nenhuma influência na medição e que a posição do sensor é importante para detectar corretamente o dano. Neste trabalho se apresenta o desenvolvimento de um sistema de medição de impedância de baixo custo e portátil que tem a capacidade de medir e armazenar a medição de 16 PZTs sem a necessidade de intervenção humana. Um aspecto de fundamental importância no contexto deste trabalho é a caracterização do dano a partir dos sinais de impedância coletados. Neste sentido, as técnicas de inteligência artificial conhecidas como redes neurais e análises de cluster fuzzy, foram testadas para classificar danos em estruturas aeronáuticas, obtendo resultados satisfatórios para esta tarefa. Uma última contribuição deste trabalho é o estudo do comportamento da técnica de monitoramento de integridade estrutural baseado na impedância eletromecânica na detecção de danos em estruturas submetidas a carregamento dinâmico. Os resultados obtidos mostram que a técnica funciona adequadamente nestes casos. / Doutor em Engenharia Mecânica