[pt] A Dissertação aqui apresentada descreve um acidente em um rotor de máquina de grande porte (compressor de ar) de uma fábrica de fertilizante cujas conseqüências foram perdas financeiras de alta monta tanto para a empresa quanto para o Estado, pela importância econômica onde a fábrica é situada. O objetivo da Dissertação foi simular matematicamente o acidente ocorrido e esclarecer o mesmo. Para se chegar ao diagnóstico do problema se modelou o rotor e o discretizou pelo Método de Elementos Finitos. As técnicas de investigação do problema e a sua seqüência de investigação podem ser tomadas como base em investigação de eventuais acidentes envolvendo rotores futuramente. O capítulo relativo a Análise Modal será extraído como base de apostila para curso envolvendo pessoal da área de Manutenção Mecânica. / [en] A problem related with an air compressor gave birth to the MSc Thesis. Problems related with rotative machines are usual in the industrial field. Difficulties come from the data gathering in order to analyze, and propose a theory of failure in order to explain and avoid the recurrence of such problem. Modelling a rotor with a Timoshenko beam element and the discretization by finite element method permit the dynamical analysis and the modal analysis of the rotor considering its interaction with the radial and thrust bearings (assuming stiffness and rigidity). The work is divided in seven chapters: chapter one introduces the work and gives the overview of it; chapter two describes the industrial problem; chapter three is a brief explanation of bearing types and the fundamental principle of lubrication; chapter four introduces vibration theory and modal analysis; chapter five introduces the finite element method; chapter six is the simulation of the problem, using tailor-made MATLABr programs to reconstruct the problem and to compare the test field results with the here mentioned formulation; chapter seven discusses the results and proposes future works. Appendix shows the kinetic theory and the beam deformation model used in the program and the Laval simple rotor as a limited description of the dynamic of a rotor with distributed mass, rigidity and stiffness. The aim of this work is to help understand and avoid the recurrence of the failure described and to easy the understanding of modal analysis for new engineers and technicians which will deal with rotor dynamics.

[pt] Em uma ferrovia, o veículo interage dinamicamente com a superestrutura (trilhos, palmilha e dormentes) e a subestrutura (lastro, sublastro e sub- base). O conforto dos passageiros, a vibração no solo e a freqüência dos trabalhos, de manutenção tanto dos veículos como também dos trilhos são determinadas considerando-se que todos os elementos estruturais interagem entre si. A resposta de cada componente estrutural é sensível µa pressão do eixo da roda no trilho, µas irregularidades na superfície do trilho e µa velo- cidade do trem, que está relacionada com à velocidade crítica na ferrovia (velocidade da fase mínima com que as ondas se propagam no trilho e no dormente). No projeto de uma nova ferrovia, como também na própria ava- liação das condições de trabalho de ferrovias existentes, todos os aspectos brevemente mencionados acima têm que ser levados em conta em um modelo matemático. A interação trilho-palmilha-dormente-lastro é representada por um modelo unidimensional em que os trilhos são representados por vigas de Timoshenko, assim como os dormentes; o lastro é representado por uma fundação elástica com amortecimento viscoso. A interação local entre tri- lho e dormente é simulada utilizando um elemento de treliça com rigidez e amortecimento. As propriedades mecânicas de cada componente da ferro- via são na maioria dos casos desconhecidas, principalmente as propriedades do lastro. Para cada elemento, são desenvolvidas as equações de equilíbrio entre esforços e deslocamentos. As equações de equilíbrio global são dadas por um desenvolvimento em série das matrizes de massa, rigidez e amorte- cimento em função de uma freqüência circular de vibração. O interesse final é a resposta transiente no domínio do tempo, obtida utilizando técnicas de superposição modal. Por fim, são propostos três modelos globais para a ferrovia, obtidos considerando algumas modificações no dormente. / [en] In a railway, the vehicle interacts dynamically with a track superstructure (rails, rail pad and sleepers) and sub-structure (ballast, sub-ballast, sub- grade). Passengers' comfort, environmental loading (ground vibration) and frequency of maintenance works of vehicles as well as of the track are deter- mined by the way all the structural elements interact. The response of each single structural component is sensitive to the wheel-axle pressure on the track, the effects of joint in un welded rails, the unevenness of wheel and rail, and the train speed as referred to the track critical velocity (minimum phase velocity of bending waves propagating in the track rails, supported by the ballast). An important issue is for example how the ballast will be affected when old, soft, timber sleepers and replaced by much, stiffer, pres- tressed concrete elements, and how newly introduced irregularities propa- gate along the track, among uncountable mathematical model possibilities, the presents a rail-pad-sleeper-ballast model mainly based on an assemble of Timoshenko beam elements (for the rail) including, in case of the sle- epers, elastic foundation (for the ballast) and viscous damping. The local interaction of the rail-pad-sleeper set is simulated with a bar element that includes damping. The dissertation reports on the numerical model, which relies on exact, dynamic beam and truss elements derived on a variational basis for the frequency-domain analysis. The model enable the assessment of the vibration characteristics of a rail track, the inverse evaluation of se- veral mechanical properties of the structural components and eventually, if everything goes well, the assessment of a dynamic behavior of the rail track actual service load. Theoretical basis for transient analysis is the advanced mode superposition technique. Finally, are proposed three global models for the railway, obtained considering some modifications in the sleeper.

Ao empregar a teoria de controle para a dinâmica de uma estrutura, é possível projetar um observador potencialmente complexo que a partir da leitura de apenas um sensor estime o estado do sistema e determine os modos de vibração presentes. Este trabalho, no entanto, estuda o uso de filtros modais em controle de vibrações, com a motivação de que essa estratégia dependa de menos componentes eletrônicos. O objetivo é encontrar um filtro modal que possua alto desempenho em malha fechada mesmo com um número reduzido de sensores. Primeiramente foi desenvolvido o modelo dinâmico do sistema em malha aberta, com posterior otimização do filtro modal por meio do método do ponto interior. Depois, foi desenvolvido o modelo dinâmico do sistema em malha fechada. A seguir, um algoritmo genético otimizou o sistema de controle de vibrações seguindo duas metodologias. A primeira considera apenas as posições dos sensores como variáveis de otimização, enquanto a segunda leva em consideração não só as posições dos sensores como também os ganhos do filtro modal e o ganho de retroalimentação de velocidade. Os resultados do estudo do sistema em malha aberta mostram que se trata se um problema de otimização não-convexa, mas todas as tentativas levaram a crer que o mínimo global tenha sido encontrado para a função objetivo proposta, baseada no desvio quadrático da função de resposta em frequência do filtro modal com relação a uma referência pré-estabelecida. Os resultados do estudo do sistema em malha fechada mostram que considerar as posições e os ganhos como variáveis de otimização levam a um filtro modal mais conveniente do que o que é obtido levando-se em consideração apenas as posições. Finalmente, a partir da interpretação dos resultados, conclui-se que mesmo com um filtro modal composto por 5 sensores é possível ainda desenvolver um sistema de controle de vibrações que seja de fase mínima. Apesar de existir spillover de observação do ponto de vista de um filtro modal, nota-se que todos os modos estão em fase, o que acaba por ser até benéfico para o sistema de controle de vibrações. / The control systems theory may be applied to structural dynamics in order to design a potentially complex observer which is able to estimate the system\'s state from the readings of a sole sensor. This work, though, focused on the application of modal filters in vibration control based on the premise that this strategy will require a simpler hardware. The main target consists of finding a modal filter which can deliver high performance in vibration control despite being composed of a reduced number of sensors. In the first step, a dynamic model of a modal filter on a cantilever beam was developed, followed by an optimization carried on with the interior-point method. Then, the dynamic model of the closed-loop cantilever beam was developed aftwerwards. However, this time a genetic algorithm was used as the optimization method instead, with two methodologies being employed. While the first one considered only the placement of the sensors, the second one also takes into consideration the modal filter gains and the negative velocity feedback gain. The results yielded by the open-loop cantilever beam analysis showed that it is a non-convex optimization problem. However, all of the attempts support the belief that the global minimum has been found in the sense of the proposed objective function, which was based on the quadratic error between the frequency response function (FRF) of the modal filter and an idealized FRF used as reference. The results yielded by the closed-loop system optimization showed that it is more convenient to consider as optimization variables not only the placement of the sensors, but also their gains and the negative velocity feedback gain. Finally, after pondering over the obtained results, it has been concluded that the observation spillover resulting from a modal filter composed of a reduced number of sensors may be turned to the vibration control system\'s favour by means of optimization. The minimal-phase modal filter composed of 5 sensors found in this work stands out as the most notable example in this work, being able to guarantee stability for the first 12 modes since all of them are in-phase.

Esse trabalho compara análises modais, obtidas por dois métodos distintos, de propriedades de imagens de chamas de um forno industrial. Visto que a combustão de gases e líquidos é caracterizada pelo tipo de injeção de combustível, pela formação aleatória de vórtices e pela distribuição de reagentes, o exato sinal de excitação do sistema é, na prática, muito pouco conhecido, cabendo aos métodos de análise a identificação dos parâmetros modais sem essa informação. Para vencer este obstáculo, na presente dissertação foram utilizados o método de Ibrahim no Domínio do Tempo (ITDM) e o método Eigensystem Realization Algorithm (ERA) associados à técnica do decremento aleatório (Random Decrement - RandomDec). A técnica RandomDec permite a obtenção de um sinal proporcional ao decaimento livre do sistema, a partir de uma excitação aleatória. Essa proporcionalidade permite que os métodos no domínio do tempo citados anteriormente sejam empregados na obtenção das características de vibração do sistema. O estudo da dinâmica de chamas com base em propriedades de suas imagens é tema muito pouco abordado na literatura; por esse motivo, inicialmente foi realizado, por meio de simulações numéricas em um sistema hipotético, um completo teste de sensibilidade de todos os métodos e da técnica a serem implementados no problema real do forno industrial. Posteriormente, os dados de chamas foram utilizados para obtenção dos modos de vibrar das propriedades de imagens. Os resultados mostram que a modelagem realizada pelo ERA para sistema SIMO (single input and multiple output) fornece modos de vibrar com amortecimentos mais condizentes com a dinâmica da chama e, assim, sugerem que, em princípio, está técnica poderia ser utilizada prontamente na identificação desse tipo de sistema, sem a necessidade da realização de qualquer outra análise modal para corroborar os resultados. Além disso, a identificação de um sistema complexo como o analisado, utilizando métodos de análise modal operacional, enseja a possibilidade de pesquisas visando obter sistemas de controle baseado em imagens para plantas com características semelhantes. / In this present study, two different modal analysis methods are applied to obtain and compare models for properties of flame images captured in an industrial furnace. Since combustion of gases and liquids is characterized by the type of fuel injection, random formation of vortices and distribution of reagents, the system excitation signal isn\'t precisely known in the reality, thus the analysis methods must identify the modal parameters without this information. To overcome this obstacle, Ibrahim Time Domain Method (ITDM) and Eigensystem Realization Algorithm (ERA) associated with the Random Decrement (RandomDec) technique were implemented in this thesis. The RandomDec technique give the means to obtain a signal which is proportional to the free decay of the system when it is randomly forced. This proportional signal allows the previously mentioned analysis methods to be used to identify vibration characteristics of the system. The study of flame dynamics based on its image characteristics is barely approached in the literature; for this reason, a complete sensitivity test of all the methods and techniques to be implemented in the real problem of industrial furnaces was initially performed through numerical simulations of a hypothetical system. Afterwards, flame data was used to obtain the vibration modes of image properties. The results lead to conclude that the SIMO (single input and multiple output) model obtained by ERA has vibration modes with more consistent damping regarding flame dynamics and suggest also that this technique could be readily used in the identification of this kind of system, without the need of any other modal analysis for results corroboration. Furthermore, the utilization of operational modal analysis methods to identify a complex system such as the analyzed one may instigate researches on image-based control systems of industrial plants with suchlike characteristics.

O método de Ibrahim no Domínio do Tempo (ITD) é considerado um dos métodos clássicos de identificação de parâmetros modais de estruturas. As maiores vantagens da sua aplicação residem na identificação de modos muito próximos com boa precisão, em uma faixa relativamente larga de freqüências, além do número reduzido de equipamentos requeridos para a realização de ensaios experimentais. Neste trabalho foi realizada uma aplicação do método ITD no processo de identificação das freqüências naturais, dos fatores de amortecimento e dos modos de vibrar de uma placa quadrada de alumínio, engastada em um dos lados e livre nos demais. Este modelo experimental apresenta alta densidade modal e a análise foi realizada em uma faixa de freqüências de 0 a 1600 Hz através de um ensaio de impacto. Para produzir um conjunto consistente de resultados é necessário utilizar um modelo sobredeterminado para o sistema em estudo. O resultado desta análise, porém, apresenta modos computacionais que devem ser eliminados. Para tanto, foram utilizados dois índices de confiança para qualificar os resultados, sendo estes o Fator de Confiança Modal (MCF) e a Colinearidade de Fase Modal Ponderada (MPCW). Os modos que apresentaram melhores índices de confiança são considerados o resultado final do processo de identificação. / The Ibrahim Time Domain (ITD) method is considered one of the classical modal parameter identification techniques. The greatest advantages of the ITD application consist of the precise identification of closely spaced modes within a wide range of frequencies and the small amount of equipment required to accomplish experimental testing. In this work, the ITD method was applied in the process of identification of natural frequencies, damping factors and mode shapes of a cantilever aluminium plate. High modal density was detected on the experimental model and the analysis was performed on a frequency range from 0 to 1600 Hz by means of impulse testing. However, an oversized model of the test structure must be used, so that a consistent set of results can be achieved. The results, nevertheless, present computational modes that must be removed from the model. Two confidence factors were used to qualify the results, namely the Modal Confidence Factor (MCF) and the Modal Phase Collinearity - Weighted (MPCW). The modes that presented higher confidence factor values were considered as the final result of the identification process.

L’étude de la mobilité domicile-travail fait l’objet de nombreuses recherches visant à décrire et analyser les caractéristiques des actifs et de leurs déplacements. En France, ces études se concentrent principalement sur les individus vivant dans les espaces fonctionnels construits autour des agglomérations, les aires urbaines. Cette thèse vise à fournir une lecture complémentaire de ces travaux en étudiant les personnes qui se déplacent entre aires urbaines : les actifs interurbains.À partir d’une approche quantitative à l’échelle de la France continentale, menée principalement grâce aux bases de données du recensement de la population, une qualification des actifs interurbains est proposée. Nos résultats montrent une diversité des profils d’actifs en matière de caractéristiques sociodémographiques, ainsi qu’une pluralité de types de liaisons réalisées entre les différents espaces des aires urbaines. Nos travaux mettent également en évidence l’importance de l’usage de la voiture, principal mode de transport utilisé par les actifs interurbains. Aussi, malgré leur poids relativement faible dans la population des aires urbaines grandes et moyennes en France, ces actifs qui se déplacent sur de grandes distances en voiture sont alors responsables d’un volume important d’émissions de CO2.Ce dernier résultat a conduit à quantifier des potentiels de report modal des déplacements des interurbains de la voiture vers le réseau ferroviaire afin de réduire le volume de ces émissions. Nos résultats démontrent l’existence de leviers permettant de réduire théoriquement ces émissions liées à l’usage de l’automobile. Le facteur spatial, à différentes échelles, joue un rôle important dans les différences entre potentiels. Enfin, nous avons également montré que ces mesures ont des conséquences sociales distinctes, en matière de coût, en fonction des professions et catégories socioprofessionnelles / Commuter mobility is the subject of numerous studies meaning to describe and analyze the characteristics of commuters and their movements. In France, these studies focus primarily on people living in the functional area built around cities, called French urban areas. This thesis aims to provide supplementary insight on this topic by studying people moving between those French urban areas: intercity commuters.Analysing the French mainland population thought a quantitative approach conducted using census databases, measurement and qualification of long-distance commuters are proposed. Our results show a diversity of commuters in terms of demographic profile and spatial connections. The important use of the car as the primary mode of transport is emphasized. Despite their relatively low weight in the population of large and medium-sized urban areas in France, those commuters, who travel over long distances by car, are responsible for significant volumes of CO2 emissions.This result led to quantify the potential modal shift from car to rail. Our results demonstrate the existence of levers to theoretically reduce car use and thus the importance of its emissions. The influence of the spatial factor, at different scales, is attested. Furthermore such policies would have different consequences in terms of cost for the various professions and socio-professional categories

Orientador: Jose Roberto de França Arruda / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-09-11T21:08:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Albuquerque_ElsonLimade_M.pdf: 5441408 bytes, checksum: a2117bd817e2c8a2d88bf1324af63fd6 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Neste trabalho de mestrado são investigadas as limitações do método dos elementos finitos na análise dinâmica de painéis reforçados. O painel foi modelado usando diferentes tipos de malha, mostrando que, dependendo do tamanho do elemento (ou número de graus de liberdade) usado na modelagem, o modelo não representa de uma maneira adequada a estrutura real. Para validar o modelo experimentalmente, foi construído um painel reforçado de alumínio e, através de métodos experimentais, foi feita uma análise modal. Os limites da modelagem pelo método dos elementos finitos, no que diz respeito às médias freqüências foram testados e comparados com resultados experimentais. Com a finalidade de reduzir o custo computacional, foi realizada uma comparação entre o método de elementos finitos e o método de elementos espectrais. Devido às incertezas de alguns parâmetros de entrada dos modelos, foram consideradas variações estatísticas em alguns parâmetros usando o Método de Monte Carlo e o Método da Superfície de Resposta. Os resultados mostraram que a partir de uma certa freqüência o método dos elementos finitos torna-se inviável devido ao alto custo computacional e que em altas freqüências o modelo dinâmico é sensível a pequenas variações nos parâmetros de entrada / Abstract: In this master's thesis work, finite element method limitations are investigated in the dynamic analysis of reinforced panels. The panel was modelled using different meshes in order to show that, depending on the element length (or the number of degree of freedom) used in the model, the model does not properly stand for the real structure. In order to assess experimentally the model, an aluminum reinforced panel was built and, through experimental methods, a modal analysis was carried out. The finite element modelling limits were tested and compared to experimental results regarding mid-frequencies. A comparison between finite element and spectral element methods was carried out for computational cost reduction purposes. Due to uncertainties of some model input parameters, a statistical variation was performed using Monte Carlo and Surface Response methods. Results have shown that, at high frequencies the finite element method is not appropriete for dynamic analysis due to high computational costs in high frequency and it is highly sensitive to small variations ofthe input parameters / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Esse trabalho investiga o impacto do comportamento transitório e em regime permanente da carga sobre a estabilidade de tensão do sistema elétrico. Para isso, utiliza-se uma modelagem detalhada da rede elétrica, capaz de representar os principais eventos inerentes aos fenômenos de instabilidade e colapso de tensão. A simulação numérica do sistema algébrico-diferencial resultante é realizada utilizando-se o solver DASSLC. Ao final desse trabalho, faz-se uma análise da resposta dos diferentes modelos de carga sobre a estabilidade de tensão do sistema de 14 barras do IEEE. / This work investigates the impact of transient and steady state load behavior on power systems voltage stability. In order to do this, a detailed electric power system model is used to reproduce the main aspects of voltage instability and collapse phenomena. The numerical solution of the resulting non-linear differential-algebraic equations is carried out by using the DASSLC solver. An analysis of different load models behaviour for some voltage instability situations is presented for IEEE 14 bus system.

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Resumo: A identificação de trincas ainda é um desafio na área de monitoramento da integridade estrutural em eixos rotativos. Embora muitas técnicas e modelos tenham sido desenvolvidos, encontrar uma técnica eficiente que possa localizar uma única ou múltiplas trincas ao longo do eixo, ainda é um grande desafio. Nesse trabalho, um novo índice para localização de trincas em eixos rotativos é apresentado. A equação do movimento do rotor com trinca utiliza a notação em coordenadas complexas a fim de separar as contribuições dos modos de precessão direta e retrógrada. O índice SDI (shape and directivity index) é calculado para o rotor, cujo modelo matemático considera a variação instantânea da rigidez do elemento finito devido à abertura e o fechamento gradual da trinca, conhecido como efeito breathing. Através da manipulação do SDI no modelo de cores HSV (hue, saturation and value), desenvolve-se uma escala métrica, visualizada em um mapa de cores, que possibilita localizar a anisotropia causada pela trinca ao longo do eixo. Profundidade e posição da trinca, presença de múltiplas trincas, entre outros fatores que afetam a assinatura da trinca em outros métodos de identificação são analisados. Bons resultados demonstram a eficiência e robustez do novo índice para diversos casos de operação do rotor. Essa métrica de dano acrescenta uma contribuição para os métodos de localização de trincas em sistemas rotativos. / Abstract: Crack identification is still a challenge in the area of structural health monitoring dedicated to rotating shafts. Although many techniques and models have been developed, finding an efficient technique capable of locating a single or multiple cracks along the shaft is still a challenge. In this work, a new index for locating cracks in rotating shafts is proposed. The equation of motion of the cracked rotor uses notation in complex coordinates in order to separate the contributions of forward and backward precession modes. The SDI (shape and directivity index) is calculated for the cracked rotor, which mathematical model considers the instantaneous variation of the finite element stiffness due to the gradual opening and closing of the crack, known as the breathing effect. By manipulating the SDI in the HSV (hue, saturation and value) color model, a metric scale is developed to locate the anisotropy caused by cracks along the shaft, visualized on a color map. Depth and position of the crack, presence of multiple cracks, among other factors that affect the signature of the crack in other identification methods are analyzed. Good results demonstrate the efficiency and robustness of the new index for several rotor operation conditions. This damage metric contributes to crack localization methods in rotating systems. / Doutor

This study investigated the vibration serviceability of timber structures with dowel-type connections. It addressed the use of such connections in cutting-edge timber structures such as multi-storey buildings and long-span bridges, in which the light weight and flexibility of the structure make it possible that vibration induced by dynamic forces such as wind or footfall may cause discomfort to occupants or users of the structure, or otherwise impair its intended use. The nature of the oscillating force imposed on connections by this form of vibration was defined based on literature review and the use of established mathematical models. This allowed the appropriate cyclic load to be applied in experimental work on the most basic component of a dowel-type connection: a steel dowel embedding into a block of timber. A model for the stiffness of the timber in embedment under this cyclic load was developed based on an elastic stress function, which could then be used as the basis of a model for a complete connector. Nonlinear and time-dependent behaviour was also observed in embedment, and a simple rheological model incorporating elastic, viscoelastic and plastic elements was fitted to the measured response to cyclic load. Observations of the embedment response of the timber were then used to explain features of the behaviour of complete single- and multiple-dowel connections under cyclic load representative of in-service vibration. Complete portal frames and cantilever beams were tested under cyclic load, and a design method was derived for predicting the stiffness of such structures, using analytical equations based on the model for embedment behaviour. In each cyclic load test the energy dissipation in the specimen, which contributes to the damping in a complete structure, was measured. The analytical model was used to predict frictional energy dissipation in embedment, which was shown to make a significant contribution to damping in single-dowel connections. Based on the experimental results and analysis, several defining aspects of the dynamic response of the complete structures, such as a reduction of natural frequency with increased amplitude of applied load, were related to the observed and modelled embedment behaviour of the connections.