Orientador: João Antonio Pereira / Banca: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: Roberto Gil Annes da Silva / Resumo: Esse trabalho discute o uso dos materiais piezelétricos, mais especificamente, o Polyvinylidene Fluoride (PVDF) e o Lead Zirconate Titatane (PZT) na análise modal experimental (AME) de estruturas mecânicas. Materiais piezelétricos, também chamados de materiais inteligentes, têm se consolidado como uma nova tecnologia que mostra um grande potencial de aplicação em diferentes áreas da engenharia. Esse tipo de material exibe um acoplamento entre multi-domínios físicos, como por exemplo o acoplamento eletro-mecânico, o térmo-magnético, etc. O acoplamento eletro-mecânico produz um deslocamento elétrico quando o material é sujeito a uma tensão mecânica (efeito direto) e um deformação mecânica quando esse material é submetido a um campo elétrico (efeito inverso). Assim, principalmente por conta desses efeitos, seu uso no campo da análise modal experimental torna-se uma interessante questão a ser investigada. A incorporação de novas tecnologias nos testes estruturais pode agregar novos conhecimentos e avanços tanto na análise modal baseada na relação entrada-saída da estrutura, quanto na mais recente técnica, a análise modal baseada apenas na resposta das mesmas. Os conceitos teóricos para o desenvolvimento são apresentados e discutidos neste trabalho, onde é mostrada a análise modal de uma viga utilizando tanto sensores e atuadores convencionais quanto os produzidos com materiais inteligentes. Os testes de análise modal da viga foram feitos utilizando diferentes combinações de sensores e atuadores e isso pode mostrar as diferenças da estimativa de modos utilizando materiais piezelétricos. Também é apresentada a formulação da relação entre os modos em deslocamento e os modos com diferença de inclinação obtidos com materiais piezelétricos e, finalmente, uma comparação dos resultados obtidos pelas diferentes técnicas. Os testes apresentados mostram... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work discusses the use of piezoelectric materials, more specifically, Polyvinylidene Fluoride (PVDF) and Lead Zirconate Titanate (PZT) for experimental modal analysis (EMA) of mechanical structures. Piezoelectric materials also called smart materials have becoming a consolidated new technology that shows a large potential of application for different engineering areas. These materials exhibit a multi physics domain field coupling like mechanical and electrical coupling domains, thermal and magnetic coupling and etc. The electro-mechanical coupling domains of the material produces an electric displacement when the material is subject to a mechanical stress (direct-effect) and a mechanical strain when the material is submitted to an electric field (inverse effect). So, mainly due to these effects, the use in the experimental modal analysis field appears to be an interesting issue to be investigated. The incorporation of this new technology in the structural tests might aggregate new acknowledgments and advances in the well consolidated input-output based modal analysis techniques as well as in the more recent output only-based modal analysis. This work aims to present some contribution in this area by using piezoelectric sensors, instead of the conventional ones like accelerometers for modal analysis of mechanical structures. The theoretical concepts and background for the developing of the work are presented and discussed, it is also presented the modal analysis of a beam like structure using conventional sensors/actuators and piezoelectric materials. The modal analysis tests of the beam are conducted using different kinds of sensors/actuator and they give some insight of the difference of the estimated modes shapes by using piezoelectric materials. It is also presented a formulation that shows the relation between... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: Vicente Lopes Junior / Banca: Samuel Silva / Banca: Michael John Brennan / Banca: Carlos Alberto Cimini Junior / Resumo: Pesquisadores de diversas partes do mundo se empenham em desenvolver técnicas capazes de monitorar a integridade de máquinas, veículos e estruturas, principalmente as que a ruptura ou destruição possa provocar acidentes e catástrofes. Neste contexto, várias técnicas não destrutivas podem ser utilizadas para monitorar estes sistemas permitindo a realização de reparos e, evitando maiores prejuízos econômicos e danos sociais. A técnica da Impedância Eletromecânica está entre as técnicas baseadas na utilização de materiais piezelétricos e, particularmente, utiliza-se de uma curva sensível a pequenas variações na estrutura, característica que faz a técnica ser eficiente na detecção de danos incipientes. No entanto, sob variações das condições ambiente e de teste, a sensibilidade da técnica pode produzir falsos diagnósticos. Desta forma, o desafio atual é aplicar a técnica da Impedância Eletromecânica em sistemas de monitoramento considerando condições mais próximas às condições de operação reais dos sistemas a serem monitorados. Este trabalho apresenta duas metodologias para sistemas SHM, a primeira consiste em utilizar a técnica de agrupamento Fuzzy c-means para entender e considerar o efeito da temperatura nos sinais da Impedância Eletromecânica. A segunda metodologia utiliza análise de variância (ANOVA) para propor uma metodologia de detecção mais robusta, e assim, incorporar variações aleatórias nos sistemas de medição e aquisição sem comprometer o diagnóstico SHM / Abstract: Researchers around the world are engaged to develop techniques for structural health monitoring of machinery, vehicles and structures, especially systems where damage or destruction could induce accidents and disasters. In this context, several non-destructive techniques can be used to monitor these systems allowing repairs and avoiding major economic losses or social losses. The electromechanical impedance technique is among the techniques based on piezoelectric materials use and it is sensible to small variations in the structure which makes it efficient in detecting incipient damages. However, variations in the ambient or test conditions can cause false diagnoses. Therefore, the current challenge is to apply the electromechanical impedance technique considering monitoring conditions closer to real operating conditions of the systems to be monitored. This work presents two methodologies for SHM systems. The first one uses Fuzzy c-means clustering to distinguish the temperature effect on impedance signal. The second method uses analysis of variance (ANOVA) to propose a more robust detection methodology and thus incorporate random variations in measurement systems and acquisition without loss of SHM diagnostic / Mestre

Resumo: O monitoramento da integridade estrutural (SHM) de sistemas mecânicos trata-se de uma tecnologia emergente que combina modernos sensores com inteligentes algoritmos computacionais para analisar a condição da estrutura em tempo real ou quando for necessário. Segurança, alto desempenho em operação e redução nos custos de manutenção são alguns dos principais benefícios concedidos pela tecnologia SHM. Deste modo, esta tecnologia vem encontrando aceitação crescente na indústria, principalmente na aeronáutica e petrolífera onde os custos de manutenção são muito elevados. Dentre as técnicas de monitoramento desenvolvidas, a dos observadores de estado se destacou. No entanto, esta técnica SHM possui algumas restrições que motivam o interesse pelo desenvolvimento de uma nova abordagem para a mesma. Neste contexto, este trabalho alia os já conhecidos observadores de estado com as características do domínio modal a fim de determinar o modo de vibrar mais afetado pela presença de um dano qualquer no sistema monitorado. A partir do conhecimento desta informação é possível projetar, por exemplo, sistemas de controle e manutenção mais eficientes. Contudo, nesta dissertação são apresentadas aplicações numéricas e experimentais em diferentes sistemas mecânicos a fim de detalhar e demonstrar a técnica SHM via Observador de Estado Modal, inicialmente proposta aqui. Algumas destas aplicações contam ainda com sensores e atuadores piezelétricos acoplados as estruturas. Os resultados encontrados mostram pontos favoráveis e desfavoráveis da técnica proposta / Abstract: Structural Health Monitoring (SHM) is an emerging technology that combines modern sensors with intelligent algorithms to analyze the structural condition in real time or specific time. Security, high operation performance and maintenance reduction costs are some of the key benefits provided by this technology. Not surprisingly, the SHM techniques have recently received increased attention in aircraft and oil industries. Among the developed SHM techniques, state observers had special attention. However, this technique presents some restrictions that motivate the development of a new SHM approach through state observers. In this context, this work associates the already known state observers with features obtained in the modal domain to determine the vibration modes that are more affected by damage presence in the monitored structure. That information makes possible the design of efficient maintenance and control systems. In order to analyze the Modal State Observer technique, firstly presented here, numerical and experimental applications in different mechanical systems are presented. In some applications are used sensors and piezoelectric actuators coupled in the structures. The results lead to the conclusion that the Modal State Observer is a potential useful SHM tool / Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Coorientador: Vicente Lopes Junior / Banca: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: Valder Steffen Junior / Mestre

Orientador : Vicente Lopes Júnior / Banca: João Carlos Mendes Carvalho / Banca: Carlos Roberto Minussi / Resumo: A proposta deste trabalho é a obtenção de uma metodologia robusta para identificação de falhas estruturais combinando as vantagens de duas metodologias, que não são baseadas em modelos matemáticos, ou seja: impedância elétrica obtida com atuador e sensor piezocerâmico(materiais inteligentes) e redes neurais artificiais. O termo materiais inteligentes (smart materials) conhecido também por material ativo é dado a uma classe de material que exibe propriedades não encontradas em materiais convencionais. Alguns destes materiais são: compostos de materiais piezelétricos, eletrorresistivo e magnetorresistivo, fluidos e sólidos electro-reológicos, e outros. Uma das principais características do PZT (Titanato Zirconato de Chumbo), que permite utilizá-lo como sensor e atuador, é o efeito piezelétrico, ou seja, a aplicação de um campo elétrico resulta em deformação do material (efeito inverso), enquanto, a aplicação de tensão mecânica resulta no surgimento de um campo elétrico (efeito direto). Estas características associadas ao conceito de impedância elétrica e ao conceito de falha métrica permitem a localização e o monitoramento da falha. Esta técnica utiliza altas freqüências e excita os modos locais, proporcionando, assim, o monitoramento de qualquer mudança da impedância mecânica estrutural na região de influência do PZT. Redes neurais artificiais (RNA) fazem parte de um amplo conceito chamado inteligência artificial. Redes neurais têm sua base associada ao funcionamento do cérebro humano, que após treinamento possuem a capacidade de "aprender". Esta ciência é objeto de estudo em diversos centros de pesquisa e, embora já tenha grande aplicabilidade, o sucesso de sua utilização depende do caso em que está sendo aplicada e de certa sutileza do projetista, uma vez que o processo ainda é empírico e teorias ainda... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo). / Abstract: The proposal of this work is the obtaining of a robust methodology for identification of structural faults combining the advantages of two methodologies, which are not based on mathematical models. The methodology applies electric impedance technique, obtained with actuator and sensor piezoceramic (smart materials), and artificial neural networks. The term "smart materials" is given for a material class that not exhibits properties found in conventional materials. Some of these materials are: composed of piezoelectric material, electrostrictive and magnetostrictive, electrorheological fluids and solids shape memory alloys, and others. One of the main characteristics of PZT (Lead Zirconate Titanate), that allows to use it as sensor and actuator, is the piezoelectric effect, where the application of an electric field results in deformation of the material (inverse effect), while the application of mechanical tension results in the appearance of an electric field (direct effect). These characteristics associated to the concept of electric impedance and the concept of metric fault allow the location and the monitoring of the fault. This technique uses high frequencies and low voltage and it excites local modes, providing, the monitoring of any change on the structural mechanical impedance in the area of influence of the PZT. Artificial Neural Networks (ANN) are part of a wide concept called artificial intelligence. Neural networks has its base associated to the operation of the human brain, that after training possess the capacity "to learn". This science is a study object in several research centers and, although it already has great application. The success of its use depends of the case and planner's certain keenness, once the process is still empiric and theories are still being formulated. Several conceptions of neural networks... (Complete abstract, click electronic address below). / Mestre