O presente trabalho visa empregar uma metodologia numérica para determinar as propriedades macro mecânica de compósitos ativos (AFC - Active Fiber Composite ou MFC - Macro Fiber Composite), combinando o conceito de Volume Elementar Representativo (VER) com o Método dos Elementos Finitos (MEF). Inicialmente, apresenta-se a fundamentação teórica associada à abordagem numérica empregada. Posteriormente, os modelos numéricos desenvolvidos são aplicados na determinação dos coeficientes efetivos de materiais compósitos inteligentes transversalmente isotrópicos com fibras piezelétricas de seção com forma circular e quadrada, respectivamente. Finalmente, os resultados numéricos obtidos pela metodologia proposta são, então, comparados com resultados da literatura. Constata-se que os resultados obtidos são muito semelhantes aos resultados relatados pela literatura para arranjo quadrático e hexagonal com fibra de geometria circular, sendo que neste caso, compararam-se os resultados numéricos com analíticos obtidos através do Método de Homogeneização Assintótica. Em seguida, a metodologia é aplicada para determinação dos coeficientes efetivos para arranjo quadrático e hexagonal com fibra de geometria quadrada. Empregando diferentes frações volumétricas de fibras, os resultados via MEF foram comparados aos resultados analíticos obtidos através do Método dos Campos Uniformes (Uniform Field Method). Após a avaliação das limitações e potencialidades da metodologia, de forma direta, através de resultados analíticos, realizou-se a avaliação da mesma de forma indireta. Para tal, foram realizadas análises dinâmicas visando comparar as Funções de Resposta em Frequência (FRF) experimentais com as obtidas computacionalmente. Dessa forma, utilizou-se uma viga de alumínio estrutural engastada-livre, onde foram colados duas pastilhas piezelétricas, sendo uma para realizar a excitação da estrutura e, a outra para fazer a aquisição dos dados. Os modelos computacionais via MEF empregaram para o domínio das pastilhas, as propriedades efetivas determinadas através da metodologia desenvolvida. Os resultados obtidos demonstraram mais uma vez as potencialidades da metodologia proposta. Assim, conclui-se que a metodologia numérica não é somente uma boa alternativa para o cálculo de coeficientes efetivos de compósitos inteligentes, mas também uma ferramenta para o projeto de estruturas inteligentes monitoradas por materiais piezelétricos. / This work presents the development a numerical methodology to determine the mechanical properties of active macro composites (AFC - Active Fiber Composite, or MFC - Macro Fiber Composite), combining the concept of Representative Elementary Volume (REV) with the Finite Element Method (FEM). In the first instance, the theoretical framework associated with the numerical approach employed is presented. Later, numerical models based on unit cell are applied to predict the effective material coefficients of the transversely isotropic piezoelectric composite with circular cross section fibers. Finally, numerical results obtained by the proposed methodology are compared to other methods reported in the literature. It appears that the results are very similar to the literature results for square and hexagonal arrangement of fibers with circular geometry, in which case, it was compared numerical with analytical results calculated by Asymptotic Homogenization Method (AHM). After that, the methodology is applied to determine the effective coefficients for square and hexagonal array with square fiber geometry. Employing different fiber volume fractions, it follows that the results obtained by the proposed methodology were compared to analytical results calculated by the Uniform Field Method (UFM). After assessing the potential and limitations of the methodology, either directly, through analytical results, the evaluation took place in the indirect approach. Then, dynamic analyses were performed in order to compare the Frequency Response Functions (FRFs) determined by experimental tests with computational results. Thus, it was used a cantilever beam aluminum structure, which were bonded two piezoelectric patches, one to carry the excitement of the structure and the second to perform the data acquisition. The effective properties determined by the proposed methodology were applied for the dominium established by the piezoelectric patches. The results showed, again, the potential of the proposed methodology. Therefore, the numerical methodology is not only a good alternative for the calculation of effective coefficients of smart composite, but also a tool for the design of smart structures monitored by piezoelectric materials.

Este trabalho tem por finalidade desenvolver um método baseado em Otimização Topológica para projetar uma estrutura mecânica, chamada de sonotrodo, acoplada a um transdutor piezelétrico de potência (dispositivo mecânico capaz de transformar energia elétrica em deformação mecânica ou vice-versa). Um sonotrodo é uma estrutura utilizada para transmitir vibrações mecânicas de um transdutor piezelétrico, ajustando a amplitude e a distribuição dos deslocamentos gerados por essa vibração para obedecer aos requisitos do projeto do transdutor. Dentre as aplicações de transdutores piezelétricos utilizando sonotrodos, pode-se citar sonares para navegação, limpeza e solda ultrassônica, tomografia acústica, furadeiras ultrassônicas, corte ultrassônico de tecidos, etc. Os requisitos de projeto do sonotrodo variam para cada aplicação, desde a necessidade de se obter o deslocamento máximo em um único ponto do sonotrodo até a uniformização do deslocamento de um plano inteiro da estrutura. Para a obtenção do resultado ótimo, neste trabalho são aplicadas técnicas de Otimização Topológica (OT). OT é um procedimento para projetar o leiaute ótimo de estruturas distribuindo material dentro de uma região fixa. O método de OT é implementado utilizando a Programação Linear Seqüencial (PLS) como algoritmo de otimização, e é baseado na interpolação \"Simple Isotropic Material with Penalization\" (SIMP) como formulação de modelo de material. É apresentado também um estudo sobre a utilização do modelo de material \"Rational Approximation of Material Properties\" (RAMP) na tentativa de se reduzir instabilidades numéricas como modos localizados. O Método de Elementos Finitos (MEF) é aplicado para modelar o sonotrodo utilizando a formulação de elemento axissimétrico de quatro nós e de elemento em Estado Plano de Tensões Mecânicas (EPTM). É apresentada a implementação para OT estrutural contínua baseada em variáveis de projeto por nós, o que minimiza instabilidades numéricas, tais como \"instabilidade de tabuleiro\". As freqüências de ressonâncias e os modos de vibrar são computados através do método de Lanczos. É utilizado um algoritmo baseado na formulação \"Modal Assurance Criterion\" (MAC) para que um certo modo de vibrar seja encontrado, de modo que a freqüência de ressonância relacionada a esse modo seja otimizada. São apresentados exemplos para verificar a eficiência e a generalidade do método proposto, e também, um estudo sobre a influência dos parâmetros de otimização utilizadas no método. Por fim, são apresentados resultados que atendem a todos os requisitos de projeto, bem como seu pós-processamento, e análise no software comercial ANSYS®. / This work aims at the development of a method based on Topology Optimization to design a mechanical structure, called sonotrode, which is a device usually connected to a high power piezoelectric transducer (mechanical device capable of converting electric energy into mechanical displacement or vice-versa). A sonotrode transmits mechanical vibrations of a piezoelectric transducer, adjusting the amplitude and the distribution of these vibrations to fit the design needs of the transducer. Among applications of piezoelectric transducers using sonotrodes, we can cite navigation sonars, ultrasonic cleaning and melting, acoustic tomography, ultrasonic drilling, ultrasonic fabric cutting, etc. The design needs of the sonotrode differs for each application, ranging from obtaining maximum displacement in one single point of its structure, to obtaining uniform displacements on a whole face of the sonotrode. To improve the attainment of the optimum result, in this work \"Topology Optimization\" (TO) is applied to design the sonotrode. TO is a procedure to design the optimal layout of structures by distributing material within a fixed domain. The objective of the developed TO formulation is to find the best topology of the sonotrode that produces maximum and uniform displacements at one of its face. The TO method is implemented using the \"Sequential Linear Programming\" (SLP) as the optimization algorithm, and it is based on the \"Simple Isotropic Material with Penalization\" (SIMP) interpolation for material model formulation. It\'s also presented a study about the material model \"Rational Approximation of Material Properties\" (RAMP), in an attempt to reduce numerical instabilities like localized modes. \"Finite Element Method\" (FEM) is applied to model the sonotrode considering piezoelectric four-node axisymmetric elements. A node-based design variable implementation for continuum structural topology optimization is presented to minimize numerical instabilities such as \"checkerboard pattern\". The ressonance frequencies and modes are computed through Lanczos Method. A \"Modal Assurance Criterion\" (MAC) based formulation is used to track a certain mode, so that, the ressonance frequency related to this mode can be optimized. Examples are presented to verify the efficiency and the generality of the proposed method, and also, a study about the influence of the optimization parameters used in the method. Finally, results that meets all the design requirements are presented, as well as their post-processed topology, and the analysis in the commercial software ANSYS®.

Este trabalho apresenta um estudo de transdutores piezelétricos de potência usados em máquinas de estampagem e soldagem de tecidos sintéticos por ultra-som, através de modelos de elementos finitos implementados no software ANSYS e verificações experimentais. O transdutor é do tipo sanduíche e está acoplado a um amplificador mecânico e a um sonotrodo. Os comportamentos elétrico e vibracional do transdutor tipo sanduíche foram analisados em relação à quantidade de discos de piezocerâmicas em modelos axi-simétricos com quatro e oito discos. Comparam-se os resultados numéricos da resposta em frequência da impedância elétrica e do coeficiente de acoplamento eletromecânico com resultados experimentais de protótipos. Apresentam-se também análises numéricas do comportamento vibracional do amplificador mecânico e de dois tipos de sonotrodos, um cilíndrico e outro com o formato de uma lâmina larga, usados no processo de corte e soldagem de tecidos por ultra-som. É feita uma análise da distribuição de amplitude de vibração ao longo da face de trabalho dos dois sonotrodos. Os resultados simulados são comparados com os resultados experimentais de uma varredura feita na superfície de trabalho de cada protótipo usando-se um vibrômetro laser Doppler. Mostra-se que a vibração na face do sonotrodo cilíndrico ocorre com maior amplitude em uma região na sua borda. Considerando que para o processamento adequado do tecido é necessário que todos os pontos ao longo da face de trabalho do sonotrodo vibrem com a mesma amplitude, verifica-se a necessidade de modificar a forma do sonotrodo visando obter uma distribuição uniforme de deslocamentos em sua face. Para isso utiliza-se a modelagem do sonotrodo com a técnica de otimização paramétrica disponível no ANSYS, com o objetivo de se obter uma distribuição de vibração uniforme ao longo de sua face de trabalho. Os resultados experimentais do protótipo do sonotrodo cilíndrico otimizado são comparados com os resultados numéricos da distribuição de vibração ao longo de sua face de trabalho mostrando uma boa concordância e, portanto, validando o modelo numérico. / This work presents a study of high power piezoelectric sandwich transducers used in ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles using finite element models with ANSYS and experimental verifications. The electrical/vibrational behaviour of transducers with four and eight piezoceramics is analysed using axisymetric models. The numerical results of electrical impedance frequency response and electromechanical coupling factor are compared with experimental results of prototypes. There are presented the numerical analysis of the vibrational behaviour of an acoustical amplifier and two types of sonotrodes, a cylindrical and an wide blade shape, used in the ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles. It is performed an analysis of the distribution of vibration amplitude along the work surface of both sonotrodes and the simulated results are compared with esperimental measurements of the prototypes using a laser Doppler vibrometer. The results show that the amplitude of vibration of the cylindrical sonotrode is not uniform on its working surface. A maximum of amplitude occurs in its border. In order to guarantee the process quality it is necessary that all points along the working surface vibrate with the same amplitude. It is used the parametric optimization technic of ANSYS in order to obtain an uniform amplitude of displacement on the working surface of the cylindric sonotrode. The simulated and experimental results optimized prototype of the cylindric sonotrode are compared showing good agreement and therfore validating the numerical model.

As estruturas aeronáuticas estão sujeitas a uma variedade de fenômenos aeroelásticos que podem comprometer o desempenho das aeronaves. Com o desenvolvimento de novos materiais, essas estruturas têm se tornado mais leves e flexíveis, e portanto mais sujeitas a problemas aeroelásticos, tais como flutter e buffeting. Pesquisadores têm trabalhado em soluções alternativas para resolver esses problemas aeroelásticos indesejáveis. Uma dessas soluções envolve o conceito de estruturas inteligentes, que são aquelas que apresentam atuadores e sensores incorporados, integrado com sistema de controle e processamento de sinal, possibilitando a adaptação do sistema estrutural a mudanças nas condições operacionais. Modelos matemáticos que incorporam elementos atuadores e sensores são de grande importância nas fases preliminares de análise de estruturas aeronáuticas inteligentes. Neste contexto, métodos de modelagem são necessários para capturar a ação da dinâmica estrutural e de carga aerodinâmica. O presente trabalho apresenta o estudo de um controlador difuso ativo para resposta aeroelástica de uma asa inteligente com atuadores piezelétricos incorporados. Características não-lineares da resposta aeroelástica são analisadas para condições críticas de flutter. É utilizado o método de elementos finitos para o modelo estrutural não-linear e o método de malha de vórtices para o modelo aerodinâmico não-estacionário. / Aeronautical structures are submitted to a variety of aeroelastic phenomena that may compromise its performance. With this development of new materials, aeronautical structures have become lighter, more flexible, and more subjected to aeroelastic problems, such as flutter and buffeting. Researchers have been working on alternatives to solve these undesired aeroelastic problems, as the recent concept of smart or intelligent structures. Smart structures are those that present embedded sensors and actuators, integrated with control systems and signal processing, to enable the adaptation of the structural system to changes in the operational conditions. Mathematical models that incorporate actuator elements or sensors are of great importance in preliminary phases of analysis of smart aeronautical structures. In this context, modeling methods are necessary to capture dynamic-structural behavior and unsteady aerodynamic loading. The present work is the study of an active fuzzy controller for aeroelastic response of a smart wing with embedded piezoelectric actuators. Nonlinear characteristics of aeroelastic responses are analyzed for critical flutter conditions. The finite elements method for the nonlinear structural model and vortex-lattice method for the unsteady aerodynamic model has been used.

Orientador: Jozue Vieira Filho / Resumo: Neste trabalho foram realizados estudos, análises, simulações e implementações de um sistema de power harvesting utilizando transdutores piezelétricos, com o objetivo de extrair a máxima potência. A fim de alcançar tal objetivo, o sistema mecânico e a interface elétrica foram analisados com foco na quantidade de potência extraída. Com os resultados básicos desses estudos, tem-se que o desempenho de tais sistemas depende da interação eletromecânica, da deformação, da frequência de excitação e da carga conectada. Com exceção do último, esses parâmetros não interferem no modelo tradicional de simulação no SPICE. Para aprimorar os resultados da simulação, foi proposta uma metodologia para a modelagem do sistema mecânico com a interface elétrica, implementada e avaliada em MATLAB/Simulink e em SPICE com VHDL-AMS. Além disso, um novo circuito eletrônico, denominado Conversor Direto CA-CC com Chaveamento Sincronizado - CDCS, foi projetado para maximizar a potência média extraída e reduzir sua dependência com a frequência de excitação e com a carga conectada. Os resultados das simulações foram comparados com dados experimentais para os circuitos eletrônicos retificador em ponte e SSHI em paralelo. A modelagem desenvolvida em SPICE com VHDL-AMS apresentou melhores resultados, pois permite uma modelagem mais precisa dos componentes eletrônicos sem comprometer o domínio mecânico. Comparado com três circuitos existentes na literatura (retificador em ponte, SSHI em paralelo e SECE), o cir... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work studies, analysis, simulations and the implementation of power harvesting system using piezoelectric transducer were done aiming to extract its maximum power. In order to achieve this goal, the mechanical system and electrical interface were analyzed especially focused on the amount of power that can be able to extracted. The conclusion of these studies was that the system performance depends of the electromechanical interaction, deformation, excitation frequency and the connected load. Except for the latter, these parameters does not interfered in the standard model by SPICE. To improve the simulation results, a novel methodology for modeling the mechanical system with electrical interface was proposed. It was implemented and evaluated in MATLAB/Simulink and in SPICE with VHDL-AMS. In addition, a new electronic circuit, well know as Direct AC-DC Converter with Synchronous Switch (CDSS), was designed to improve the extract power and the response at the frequency of excitation and the connected load. The simulation results were compared with experimental data for the electronic circuits: bridge rectifier and P-SSHI. The SPICE with VHDL-AMS model offered the best results, since it allows accurate model for the electrical component without compromising the mechanical system. The performance of the proposed circuit was compared with three electronic circuits (bridge rectifier, P-SSHI and SECE). The results show that the proposed circuit presented the higher power ext... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Submitted by Bruno Albuquerque de Castro null (bruno.castro@feb.unesp.br) on 2016-06-01T17:52:34Z No. of bitstreams: 1 Bruno_Albuquerque_de_Castro_MestradoEE.pdf: 3788528 bytes, checksum: 28b69717116921fa999eda08254ac160 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-06-02T19:10:47Z (GMT) No. of bitstreams: 1 castro_ba_me_bauru.pdf: 3788528 bytes, checksum: 28b69717116921fa999eda08254ac160 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 castro_ba_me_bauru.pdf: 3788528 bytes, checksum: 28b69717116921fa999eda08254ac160 (MD5) Previous issue date: 2016-05-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O monitoramento e a localização precoce de descargas parciais em aparelhos de alta tensão, como nos transformadores de potência, são de fundamental importância para a prevenção de problemas funcionais associados à degradação contínua dos materiais que compõe o isolamento elétrico destes tipos de aparelho. Alguns fatores críticos na operação dos transformadores, como o funcionamento em sobrecarga, superaquecimento, transitórios e sinais elétricos de grande conteúdo harmônico vinculados a sistemas chaveados, em longo prazo, fazem com que o sistema de isolação de um transformador apresente degradação de suas propriedades físicas e químicas intrínsecas aos diversos tipos de materiais utilizados para esta finalidade e, deste modo, surjam descargas parciais. Este trabalho teve como objetivo aplicar sensores piezelétricos de baixo custo para a identificação e localização de descargas parciais em transformadores de potência por meio de sistemas inteligentes do tipo Redes Neurais e sistema de inferência neuro fuzzy adaptativos. Ambos os sistemas foram treinados com algumas métricas de processamento de sinais e os resultados de erro médio de localização chegaram na casa dos milímetros. Variou-se o número de sensores acoplados e foi realizado um estudo sobre os resultados de localização obtidos. / Partial discharge damages in power transformers require high cost monitoring procedures based on corrective maintenance or even interruptions of the power system. The development of online non-invasive monitoring systems to detect partial discharges in power transformers has great relevance since it can reduce significant maintenance costs. Some critical factors in the operation of transformers such as overload, nonlinear loads, transient voltage surges by atmospheric origin and switching, can make the insulation system of transformers to lose their physical and chemical properties. Therefore, these operating conditions can cause early deterioration of the insulation, causing internal partial discharges that may develop into major defects and thus shorten the useful life of electrical equipment. This research aimed to apply a low cost piezoelectric sensors for partial discharge identification and location in power transformers through intelligent systems such as neural networks and adaptive fuzzy inference system. Both systems were trained with some signal processing metrics and the results for location error was in the region of millimeters. It was varied the number of coupled sensors and a study was conducted on the obtained location results.

Submitted by FLAVILENE DA SILVA SOUZA (flavilener3@gmail.com) on 2018-04-24T19:08:16Z No. of bitstreams: 1 tese_flavilene_final.pdf: 13353047 bytes, checksum: d43d4d8f0c658e67b155882a0640ae05 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-04-24T19:20:49Z (GMT) No. of bitstreams: 1 souza_fs_dr_ilha.pdf: 13353047 bytes, checksum: d43d4d8f0c658e67b155882a0640ae05 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-24T19:20:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 souza_fs_dr_ilha.pdf: 13353047 bytes, checksum: d43d4d8f0c658e67b155882a0640ae05 (MD5) Previous issue date: 2018-03-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho foram realizados estudos, análises, simulações e implementações de um sistema de power harvesting utilizando transdutores piezelétricos, com o objetivo de extrair a máxima potência. A fim de alcançar tal objetivo, o sistema mecânico e a interface elétrica foram analisados com foco na quantidade de potência extraída. Com os resultados básicos desses estudos, tem-se que o desempenho de tais sistemas depende da interação eletromecânica, da deformação, da frequência de excitação e da carga conectada. Com exceção do último, esses parâmetros não interferem no modelo tradicional de simulação no SPICE. Para aprimorar os resultados da simulação, foi proposta uma metodologia para a modelagem do sistema mecânico com a interface elétrica, implementada e avaliada em MATLAB/Simulink e em SPICE com VHDL-AMS. Além disso, um novo circuito eletrônico, denominado Conversor Direto CA-CC com Chaveamento Sincronizado - CDCS, foi projetado para maximizar a potência média extraída e reduzir sua dependência com a frequência de excitação e com a carga conectada. Os resultados das simulações foram comparados com dados experimentais para os circuitos eletrônicos retificador em ponte e SSHI em paralelo. A modelagem desenvolvida em SPICE com VHDL-AMS apresentou melhores resultados, pois permite uma modelagem mais precisa dos componentes eletrônicos sem comprometer o domínio mecânico. Comparado com três circuitos existentes na literatura (retificador em ponte, SSHI em paralelo e SECE), o circuito proposto obteve os maiores valores de potência extraída (102 µW) e de eficiência (70 %), além de apresentar resultados satisfatórios na faixa de operação da carga (1 kΩ - 1 MΩ) e largura de banda (6,0 Hz). / In this work studies, analysis, simulations and the implementation of power harvesting system using piezoelectric transducer were done aiming to extract its maximum power. In order to achieve this goal, the mechanical system and electrical interface were analyzed especially focused on the amount of power that can be able to extracted. The conclusion of these studies was that the system performance depends of the electromechanical interaction, deformation, excitation frequency and the connected load. Except for the latter, these parameters does not interfered in the standard model by SPICE. To improve the simulation results, a novel methodology for modeling the mechanical system with electrical interface was proposed. It was implemented and evaluated in MATLAB/Simulink and in SPICE with VHDL-AMS. In addition, a new electronic circuit, well know as Direct AC-DC Converter with Synchronous Switch (CDSS), was designed to improve the extract power and the response at the frequency of excitation and the connected load. The simulation results were compared with experimental data for the electronic circuits: bridge rectifier and P-SSHI. The SPICE with VHDL-AMS model offered the best results, since it allows accurate model for the electrical component without compromising the mechanical system. The performance of the proposed circuit was compared with three electronic circuits (bridge rectifier, P-SSHI and SECE). The results show that the proposed circuit presented the higher power extracted (102 μW) and of efficiency (70%). In addition, both the resistance range (1 kΩ - 1 MΩ) and the bandwidth (6,0 Hz) were improved. / CAPES: 99999.006504/2015-09

Este trabalho tem por finalidade desenvolver um método baseado em Otimização Topológica para projetar uma estrutura mecânica, chamada de sonotrodo, acoplada a um transdutor piezelétrico de potência (dispositivo mecânico capaz de transformar energia elétrica em deformação mecânica ou vice-versa). Um sonotrodo é uma estrutura utilizada para transmitir vibrações mecânicas de um transdutor piezelétrico, ajustando a amplitude e a distribuição dos deslocamentos gerados por essa vibração para obedecer aos requisitos do projeto do transdutor. Dentre as aplicações de transdutores piezelétricos utilizando sonotrodos, pode-se citar sonares para navegação, limpeza e solda ultrassônica, tomografia acústica, furadeiras ultrassônicas, corte ultrassônico de tecidos, etc. Os requisitos de projeto do sonotrodo variam para cada aplicação, desde a necessidade de se obter o deslocamento máximo em um único ponto do sonotrodo até a uniformização do deslocamento de um plano inteiro da estrutura. Para a obtenção do resultado ótimo, neste trabalho são aplicadas técnicas de Otimização Topológica (OT). OT é um procedimento para projetar o leiaute ótimo de estruturas distribuindo material dentro de uma região fixa. O método de OT é implementado utilizando a Programação Linear Seqüencial (PLS) como algoritmo de otimização, e é baseado na interpolação \"Simple Isotropic Material with Penalization\" (SIMP) como formulação de modelo de material. É apresentado também um estudo sobre a utilização do modelo de material \"Rational Approximation of Material Properties\" (RAMP) na tentativa de se reduzir instabilidades numéricas como modos localizados. O Método de Elementos Finitos (MEF) é aplicado para modelar o sonotrodo utilizando a formulação de elemento axissimétrico de quatro nós e de elemento em Estado Plano de Tensões Mecânicas (EPTM). É apresentada a implementação para OT estrutural contínua baseada em variáveis de projeto por nós, o que minimiza instabilidades numéricas, tais como \"instabilidade de tabuleiro\". As freqüências de ressonâncias e os modos de vibrar são computados através do método de Lanczos. É utilizado um algoritmo baseado na formulação \"Modal Assurance Criterion\" (MAC) para que um certo modo de vibrar seja encontrado, de modo que a freqüência de ressonância relacionada a esse modo seja otimizada. São apresentados exemplos para verificar a eficiência e a generalidade do método proposto, e também, um estudo sobre a influência dos parâmetros de otimização utilizadas no método. Por fim, são apresentados resultados que atendem a todos os requisitos de projeto, bem como seu pós-processamento, e análise no software comercial ANSYS®. / This work aims at the development of a method based on Topology Optimization to design a mechanical structure, called sonotrode, which is a device usually connected to a high power piezoelectric transducer (mechanical device capable of converting electric energy into mechanical displacement or vice-versa). A sonotrode transmits mechanical vibrations of a piezoelectric transducer, adjusting the amplitude and the distribution of these vibrations to fit the design needs of the transducer. Among applications of piezoelectric transducers using sonotrodes, we can cite navigation sonars, ultrasonic cleaning and melting, acoustic tomography, ultrasonic drilling, ultrasonic fabric cutting, etc. The design needs of the sonotrode differs for each application, ranging from obtaining maximum displacement in one single point of its structure, to obtaining uniform displacements on a whole face of the sonotrode. To improve the attainment of the optimum result, in this work \"Topology Optimization\" (TO) is applied to design the sonotrode. TO is a procedure to design the optimal layout of structures by distributing material within a fixed domain. The objective of the developed TO formulation is to find the best topology of the sonotrode that produces maximum and uniform displacements at one of its face. The TO method is implemented using the \"Sequential Linear Programming\" (SLP) as the optimization algorithm, and it is based on the \"Simple Isotropic Material with Penalization\" (SIMP) interpolation for material model formulation. It\'s also presented a study about the material model \"Rational Approximation of Material Properties\" (RAMP), in an attempt to reduce numerical instabilities like localized modes. \"Finite Element Method\" (FEM) is applied to model the sonotrode considering piezoelectric four-node axisymmetric elements. A node-based design variable implementation for continuum structural topology optimization is presented to minimize numerical instabilities such as \"checkerboard pattern\". The ressonance frequencies and modes are computed through Lanczos Method. A \"Modal Assurance Criterion\" (MAC) based formulation is used to track a certain mode, so that, the ressonance frequency related to this mode can be optimized. Examples are presented to verify the efficiency and the generality of the proposed method, and also, a study about the influence of the optimization parameters used in the method. Finally, results that meets all the design requirements are presented, as well as their post-processed topology, and the analysis in the commercial software ANSYS®.

As estruturas aeronáuticas estão sujeitas a uma variedade de fenômenos aeroelásticos que podem comprometer o desempenho das aeronaves. Com o desenvolvimento de novos materiais, essas estruturas têm se tornado mais leves e flexíveis, e portanto mais sujeitas a problemas aeroelásticos, tais como flutter e buffeting. Pesquisadores têm trabalhado em soluções alternativas para resolver esses problemas aeroelásticos indesejáveis. Uma dessas soluções envolve o conceito de estruturas inteligentes, que são aquelas que apresentam atuadores e sensores incorporados, integrado com sistema de controle e processamento de sinal, possibilitando a adaptação do sistema estrutural a mudanças nas condições operacionais. Modelos matemáticos que incorporam elementos atuadores e sensores são de grande importância nas fases preliminares de análise de estruturas aeronáuticas inteligentes. Neste contexto, métodos de modelagem são necessários para capturar a ação da dinâmica estrutural e de carga aerodinâmica. O presente trabalho apresenta o estudo de um controlador difuso ativo para resposta aeroelástica de uma asa inteligente com atuadores piezelétricos incorporados. Características não-lineares da resposta aeroelástica são analisadas para condições críticas de flutter. É utilizado o método de elementos finitos para o modelo estrutural não-linear e o método de malha de vórtices para o modelo aerodinâmico não-estacionário. / Aeronautical structures are submitted to a variety of aeroelastic phenomena that may compromise its performance. With this development of new materials, aeronautical structures have become lighter, more flexible, and more subjected to aeroelastic problems, such as flutter and buffeting. Researchers have been working on alternatives to solve these undesired aeroelastic problems, as the recent concept of smart or intelligent structures. Smart structures are those that present embedded sensors and actuators, integrated with control systems and signal processing, to enable the adaptation of the structural system to changes in the operational conditions. Mathematical models that incorporate actuator elements or sensors are of great importance in preliminary phases of analysis of smart aeronautical structures. In this context, modeling methods are necessary to capture dynamic-structural behavior and unsteady aerodynamic loading. The present work is the study of an active fuzzy controller for aeroelastic response of a smart wing with embedded piezoelectric actuators. Nonlinear characteristics of aeroelastic responses are analyzed for critical flutter conditions. The finite elements method for the nonlinear structural model and vortex-lattice method for the unsteady aerodynamic model has been used.

This work presents an analysis of a Piezoelectric Transformer (TP), showing the main types of devices, characteristics, operation modes, among others important points. The parameters of Mason Classic Model are determined by frequency response analysis. The nominal load is determined considering the maximum power transfer and the efficiency from the load tests. In order to obtain a more accurate equivalent model, an optimization methodology of equivalent model is proposed. The criterion used to optimize the model is the minimum standard square error between frequency response of TP and model. To prove the results obtained by the optimization meth-odology, it is presented, in impedance graphs, the curves of model obtained by fre-quency response, optimized model and TP. The optimized model is obtained for dif-ferent segments configurations of TP. The analysis of segments has the goal to adapt the TP to specific applications, enabling the parameters adjust, to different condi-tions of load impedance to maximum power transfer, voltage gain and efficiency, among others. The Half-Bridge practical results with nominal load are presented to all segments configurations, using as resonant converter. / Este trabalho apresenta uma análise sobre Transformador Piezelétrico (TP), mostrando os principais tipos de dispositivos, características, modos de operação, en-tre outros pontos importantes. Os parâmetros do modelo clássico de Mason são de-terminados pela análise da resposta em frequência. A carga nominal é determinada levando em conta a máxima transferência de potência e o rendimento a partir de tes-tes de carga. Para obter o modelo equivalente mais preciso é proposto uma metodolo-gia de otimização do modelo equivalente. O critério utilizado para otimizar o modelo é do menor erro quadrático normalizado e ponderado entre a resposta em frequência do modelo e a resposta experimental do TP. Para comprovar os resultados obtidos pela metodologia de otimização, são apresentados gráficos de resposta em frequência do modelo obtido pela resposta em frequência, do modelo otimizado e a resposta ex-perimental do TP. O modelo otimizado é estendido para diferentes configurações de segmentos do TP. A análise dos segmentos tem como objetivo adequar o TP para aplicações específicas, possibilitando o ajustes de parâmetros, para diferentes condi-ções de resistência de carga para máxima transferência de potência, ganho de tensão e rendimento, entre outros. Resultados práticos com carga nominal são apresentados para todas configurações de segmentos, utilizando como conversor ressonante o con-versor Half-Bridge.