Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-26T02:44:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / As ferramentas numéricas vêm conquistando espaço no desenvolvimento e na melhoria de produtos devido à sua versatilidade e baixo custo em relação aos protótipos físicos. O Método de Elementos Finitos (MEF) tem mostrado ser uma dessas ferramentas com grande potencial para o estudo vibroacústico. Porém os resultados dos modelos de estruturas complexas geralmente apresentam discrepâncias quando comparados com dados experimentais dotados como referência. Nesse contexto, o presente trabalho busca gerar e validar um modelo vibroacústico melhorado do conjunto de componentes de um compressor simplificado utilizando o MEF e interagindo resultados numéricos com dados experimentais. Inicialmente, diversos aspectos de modelagem foram avaliados, visando definir modelos com grande potencial de representatividade do comportamento dinâmico dos componentes individuais de um compressor na faixa de frequência de 0 a 10 kHz. Em seguida, as geometrias, as propriedades de materiais e as tensões residuais de alguns componentes foram investigadas para avaliar suas respectivas influências no comportamento dinâmico dos modelos. Só então as diferenças entre os resultados numéricos e os dados experimentais foram quantificadas por meio de técnicas específicas de correlações. Essas diferenças, na maioria das vezes significativas, foram minimizadas através de métodos iterativos de ajuste de modelos realizados a partir da atualização das propriedades físicas, ou dos coeficientes de parametrização do modelo. Por fim, os modelos dos componentes ajustados individualmente foram conectados por juntas rígidas ou flexíveis, cujas propriedades de rigidez foram analisadas e identificadas tendo como referências os dados experimentais. Melhorias substanciais na representatividade do comportamento dinâmico do modelo de conjunto foram obtidas em toda a faixa de frequência pretendida, o que significa resultados encorajadores para o desenvolvimento de protótipos virtuais para predição e análise vibroacústica de compressores.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T13:37:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 266462.pdf: 1655592 bytes, checksum: 3a4e41ec23555055460460824ddb75aa (MD5) / Este trabalho visa o desenvolvimento de modelos matemáticos e numéricos a fim de simular o comportamento de materiais compostos e piezelétricos. A teoria de primeira ordem para estruturas laminadas é empregada na formulação de um modelo contínuo, sendo este discretizado utilizando o método dos elementos finitos. A validação do modelo numérico é efetuada através de comparações com soluções analíticas, com modelos computacionais elaborados no software comercial ANSYS® e com outros trabalhos. A aplicação proposta contempla o problema de uma placa compósita engastada por um de seus lados com lâminas de material piezelétrico aderidas às superfícies, agindo como sensor e atuador. Uma análise da dinâmica da estrutura sob ação de força mecânica externa concentrada é considerada e os resultados são utilizados no desenvolvimento de uma estratégia de controle que objetiva a redução dos níveis de vibração no sistema.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T19:03:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 255276.pdf: 2869637 bytes, checksum: d93629b99f32d424408cfa2602c20037 (MD5) / Na atualidade, as empresas de veículos tentam oferecer maior conforto aos passageiros. O ruído e as vibrações provenientes do motor e da suspensão, entre outros, fazem com que o conforto acústico no interior da cabine de passageiros seja pobre. Assim, as características vibroacústicas de diferentes peças e da estrutura do carro devem ser aprimoradas para conseguir controlar o ruído e vibrações indesejados. Em virtude se suas vibrações, as chapas, tais como a placa do piso, teto e placa cortafogo, entre outras, podem se transformar em importantes fontes de ruído. Particularmente, a placa cortafogo, que é aquela que separa o compartimento do motor da cabine de passageiros, tem uma função importante, pois ela é atingida pelas vibrações do motor, gerando ruído. E, além disso, ela atua como barreira do ruído do motor propagando-se pelo ar. Existem diferentes técnicas de controle de amortecimento passivo em placas de carros. Geralmente em todas elas é adicionada uma camada de material de amortecimento, através de mantas asfálticas, spray e uso de materiais compostos laminados. Esta última técnica é talvez a favorita por muitos fabricantes de placas de carro, pois é possível conseguir resultados iguais ou superiores que outras técnicas, mas com pouca adição de massa e aumentando consideravelmente o amortecimento estrutural. No presente trabalho, se pretende fazer uma comparação experimental e simulações numéricas em elementos finitos, do comportamento vibroacústico de duas placas cortafogo semelhantes, porém uma feita com aço normal e a outra com material composto laminado, também conhecido como "Quiet Steel".

Orientador: Marcos Valério Ribeiro / Coorientador: Marcos Tadeu Tibúrcio Gonçalves / Banca: Manoel Cleber Sampaio Alves / Banca: José Vitor Candido de Souza / Banca: José Orlando Gomes / Banca: Carlos de Oliveira Affonso / Resumo: No serramento contínuo da madeira por serra de fita, o projeto da ferramenta de corte, o desgaste e as avarias do uso destas ferramentas no processo de produção fazem com que o comportamento da lâmina ao longo de um ciclo de uso seja mais ou menos instável, podendo perder estabilidade e impactando em produtos mal serrados. Conhecer essa tendência ao longo de toda a vida útil da serra ou mesmo a sua aplicação em dado período em condições reais de corte permite avaliar o projeto da serra e sua durabilidade. Para isso, o projeto de um dispositivo robusto, resistente a vibração e a ambientes severos e sujos, além de boa capacidade de armazenamento de informações é de grande valia. O objetivo do presente trabalho foi propor um dispositivo de registro de dados para monitorar a instabilidade/vibração da ferramenta de corte no processo de serramento da madeira por serra de fita. Com vistas a essas premissas foram estudados os elementos para o projeto da ferramenta de corte e as referências sobre os fundamentos da usinagem da madeira, o projeto da ferramenta de corte, sua geometria e causas para as decorrências como a vibração, estabilidade e desgaste. Foi construído um protótipo em escala laboratorial, onde foi validado o pré-projeto e o sistema de aquisição de dados. Optou-se pelo uso do microcontrolador Arduino que disponibiliza software livre para sua programação permitindo que o sistema possa ser reproduzido a baixo custo. Em um segundo estágio este mecanismo de controle foi exp... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In continuous sawing wood by a large Bandsaw the cutting tool design, use and tools faults in the production process causes blade behavior over a duty cycle. The process looses stability and impacts in badly sawn products. Knowing this trend throughout the life of the blade or its application in a given period on real conditions of cut allows evaluating the project and the durability of the saw. For this, the design of a robust device, resistant to vibration, harsh and dirty environments and good information storage capacity is a big deal. The aim of this study was to propose a data recording device to monitor the instability / vibration of the cutting tool in Bandsawing process of the wood. With a view to these assumptions were studied elements for cutting tool design and references about the fundaments of wood machining, cutting tool design, geometry and the causes that origin vibration, instability and tools wear. A prototype in laboratory scale which has validated the pre-design and data acquisition system was built. We chose to use the Arduino microcontroller that provides free software to its programming allowing the system to be reproduced at low cost too. In a second stage this control mechanism has been expanded to a timber industrial environment where it might be used as support for the evaluation of the cutting process. The device proved to be robust and operational in real production conditions in a large sawmill. This paper reports the used sensor, microcontrolle... (Complete abstract click electronic access below) / Résumé: Dans le sciage continu de bois effectué avec une scie à ruban, la conception de l'outil de coupe, l'usure et les dommages dus à l'utilisation de cet outil dans le processus de production modifient le comportement de la lame sur un cycle d'utilisation, la rendant plus ou moins instable jusqu'à perdre sa stabilité, ce qui va générer des produits sciés de mauvaise qualité. Considérer cette tendance tout au long de la vie de la scie ou de son application dans une période donnée dans des conditions réelles de coupe permet d'évaluer et projeter la scie ainsi que sa durabilité. Pour cela, la conception d'un dispositif robuste, résistant aux vibrations, aux environnements agressifs, à la saleté, tout en ayant une bonne capacité de stockage de l'information est primordiale. Le but de cette étude est de proposer un dispositif d'enregistrement de données pour surveiller l'instabilité et vibration de l'outil de coupe dans le processus de sciage du bois par scie à ruban en continu. A partir de ce scénario, les éléments du projet d'outil de coupe ont été étudiés avec pour bases l'usinage du bois, le projet de l'outil de coupe, sa géométrie et ses conséquences comme la vibration, la stabilité et l'usure. Un prototype à l'échelle de laboratoire a validé le système du préprojet et la construction de l'acquisition de données. Nous avons choisi d'utiliser le microcontrôleur Arduino qui fournit des logiciels libres de programmation permettant au système d'être fabriqué à faible coût. Dans une ... (Résumé complet accès életronique ci-dessous) / Doutor

Estruturas hidráulicas como comportas planas verticais são usualmente encontradas em aproveitamentos hidrelétricos, canais de navegação e aquedutos para abastecimento ou irrigação. O projeto deste tipo de estruturas envolve, fundamentalmente, a determinação da magnitude das forças atuantes, tanto hidrostáticas como hidrodinâmicas. Neste sentido, problemas ocorridos como conseqüência da fadiga do material assim como de vibrações excessivas têm sido reportados em anos recentes. O propósito desta dissertação é investigar o comportamento vibratório induzido pelo escoamento sobre um dispositivo elástico, representativo de uma comporta plana vertical com descarga de fundo, com diferentes geometrias de terminal inferior em contato com o escoamento e, baseados nos resultados obtidos, contribuir para o desenvolvimento dos critérios de projeto deste tipo de estruturas hidráulicas. O comportamento vibratório do dispositivo, de dimensões aproximadas de 50 cm de largura x 80 cm de altura x 2 cm de espessura, submetido a diferentes configurações de escoamento em valores de abertura de descarga de 10, 20, 30 e 40 mm, foi obtido através de medições de aceleração instantânea no sentido do escoamento executadas por um acelerômetro com elemento sensível piezoelétrico. Cinco geometrias diferentes de terminal inferior em contato com o escoamento foram propostas para a realização dos estudos. Os resultados experimentais correspondentes aos comportamentos da estrutura em vibração estão apresentados, na forma adimensional, em médias quadráticas e freqüências predominantes nos espectros das acelerações Geometrias “Ret”, “Ele” e “30d” mostraram ser mais suscetíveis à ocorrência de fenômenos de vibração induzida, com diferenças de até 3 a 4 vezes nos valores das médias quadráticas, nas situações de escoamento às quais a comporta foi submetida, quando comparadas com geometrias “60” e “30i”. Os valores de freqüências de vibração induzida pelo escoamento, nas respectivas aberturas de descarga e geometrias de terminal inferior analisadas, corresponderam-se com os modos naturais de vibração livre em água. Estes valores foram, aproximadamente, entre 1,10 e 0,90 do valor da freqüência natural em ar. Conforme o observado, nota-se que a geometria do terminal em contato com o escoamento desempenha um papel de fundamental importância quando o objetivo a atingir é a diminuição da magnitude desses tipos de solicitações não desejadas.

Este trabalho tem por objetivo apresentar uma técnica de identificação de falhas em mancais de rolamento até então praticamente inexistente no Brasil. Ela refere-se à mudança da tradicional lubrificação base-tempo, baseada em recomendações de fabricante e fórmulas retiradas de ábacos clássicos para a lubrificação base-condição. Mancais de rolamento são peças obrigatórias em uma infinidade de equipamentos, em sua grande parte, rotativos. A técnica mais difundida de identificação de falhas é a análise de vibração, em seus mais diversos graus de tecnologia embarcada. No entanto, o que ocorre por inúmeras vezes é a identificação da falha já em um estágio onde a falha não pode mais ser reparada, e sim apenas ter seu desenvolvimento monitorado. Isto ocorre devido à freqüência de coleta de dados ser baseada em cartas de severidade, e a falha pode se propagar de uma forma acelerada entre as medições realizadas. A partir desta nova técnica o que se busca é proporcionar à técnica de manutenção preventiva conhecida por lubrificação, que por muitas vezes é tão menosprezada dentro das indústrias, a aquisição de informações importantes a partir de coleta das vibrações ultrassônicas emitidas pelos mancais. Desta forma se fornecem condições para que a lubrificação atue de modo a auxiliar a técnica de análise de vibração, evitando lubrificações em demasia e prevenindo a falta de lubrificante nos mancais, a partir de inspeção baseada em condição. / The aim of this work is to develop a root cause fail identification technique in rolling bearings fairly known in Brazil. This technique refers to the changing from traditional time-based lubrication, done upon manufacturers’ recommendation and formulas taken from classic abacus to condition based lubrication. Rolling bearing are mandatory parts in a large amount of equipments, especially in dynamics. The most known technique for fail identification is vibration analysis, used with different technologies. However several times the identification is made in a stage where the problem can no longer be fixed only monitored. That situation happens because of data collection is made based in severity charts, and fail can propagate in a fast mode between collections. With this condition based technique, it follows to purpose to the other predictive maintenance technique known as lubrication, which is so many cases is undervalued inside industries, the acquisition of important information from bearing ultrasonic vibration data collection. Since this important model apparatus are given to that lubrication acts in order to help vibration analysis technique to avoid over greasing and preventing bearing lack of lubrication, inspection based on condition.

Este trabalho tem por objetivo determinar e avaliar a transmissibilidade da vibração no corpo humano além de desenvolver um modelo numérico de quatro graus de liberdade representativo do sistema banco e corpo humano. Para auxiliar no desenvolvimento deste trabalho foi realizado um resgate de pesquisas publicadas por pesquisadores anteriormente na área de modelamento numérico, além das medições e avaliações da transmissibilidade da vibração no corpo humano. Foram realizadas medições da transmissibilidade da vibração no corpo humano na posição sentado em um banco comumente utilizado para motoristas de ônibus urbanos. As medições foram realizadas ao longo do eixo z, de acordo com as recomendações das normas ISO 2631 (1974 e 1997), utilizando-se de acelerômetros uni-axiais, um computador com placa conversora analógica para digital (A/D), além de programas desenvolvidos na plataforma de programação gráfica HPVee para aquisição dos níveis de vibração e avaliação das transmissibilidades da vibração. A vibração vertical foi simultaneamente medida no corpo humano (direção z – ISO 2631). Para medir os níveis de vibração no assento, na pélvis, no ombro e na cabeça foram utilizados quatro micro-acelerômetros uni-axiais (Endveco Isotron 2250A/AM1-10) enquanto que no piso, foi utilizado um acelerômetro uni-axial da Brüel & Kjaer 4338. O grupo estudado nos experimentos era composto por cinco indivíduos, sendo três homens e duas mulheres. Avaliou-se a transmissibilidade entre o assento do banco e o piso, entre a pélvis o assento, entre o ombro e o assento e entre a cabeça e o assento. Os resultados indicaram que o sistema apresentou uma amplificação da transmissibilidade entre o assento e o piso em até 2,5 vezes, enquanto que, para as demais transmissibilidades (pélvis/assento, ombro/assento, cabeça/assento) houve uma atenuação gradual da transmissibilidade da vibração Um modelo linear de quatro graus de liberdade foi desenvolvido para representar o comportamento biodinâmico de indivíduos brasileiros submetidos à vibração forçada proveniente de sinais medidos em ônibus urbanos brasileiros. O modelo responde simultaneamente de acordo com os dados obtidos experimentalmente da transmissibilidade entre o assento e o piso e entre o ombro e o assento para uma faixa de freqüência de 4 até 40 Hz. Foi desenvolvida uma rotina no Maple 5.5 (anexo 10.4) a qual consiste em ajustar uma curva de transmissibilidade calculada com os limites estabelecidos dos parâmetros biomecânicos definidos nos ensaios biométricos e literatura às curvas de transmissibilidade obtidas experimentalmente. Os resultados indicaram que para a curva de transmissibilidade entre o assento e o ombro o erro foi de 37,78% enquanto que para as curvas de transmissibilidade entre o assento e o piso apresentaram um erro de 17,74 %. Apesar dos valores de erro percentual terem sido relativamente elevados, os valores de ambas as curvas de transmissibilidade numérica apresentaram resultados de ajuste muito próximos às curvas experimentais.

Neste trabalho, é estudado o controle da transmissão do som numa placa retangular e fina. Para tanto, é encontrada a resposta dinâmica da placa, excitada por forças harmônicas pontuais e piezomomentos, obtida usando uma base não-clássica e uma análise modal. A radiação sonora emitida pela vibração da placa é encontrada. A potência sonora radiada pode ser calculada aplicando controle ativo diretamente na estrutura, na forma de uma entrada vibratória, uma vez conhecida a resposta na superfície da placa, obtendo-se uma signicativa redução analitica. Os piezocerâmicos, modelados como quatro momentos pontuais, são unidos a superfície da placa como atuadores. A potência sonora transmitida antes e depois do controle é comparada, usando diferentes número de atuadores. Uma estratégia clássica de controle linear quadrático (LQR) e empregada no contexto de um procedimento de otimização da posição dos atuadores do sistema.

Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia de projeto ótimo de estruturas ativamente controladas (inteligentes), com o objetivo de suprimir as vibrações induzidas por perturbações externas. O projeto é realizado simultaneamente para a topologia estrutural e a localização de atuadores. O problema de otimização topológica é formulado para três fases materiais (dois materiais sólidos e vazio),com dois grupos de variáveis de projeto. Um material não piezelétrico elástico isotrópico forma a parte puramente estrutural, enquanto um material piezelétrico compõe a parte ativa. Uma vez que não há método eficiente para tratar as variáveis de projeto estruturais e de controle em um mesmo ambiente de otimização, este trabalho propõe uma abordagem de solução aninhada. Nesta solução, o posicionamento dos atuadores e a síntese do sistema controlador são considerados em um laco de projeto paralelo ao processo de otimização que lida com a topologia estrutural. O laço de otimização principal está relacionado `as variáveis de projeto estruturais, ou seja, ´e calculado onde deve haver material sólido e onde deve haver espaços vazios, através de um problema de minimização de flexibilidade. A localização de atuadores ´e determinada por uma otimização baseada em uma lei de controle que define onde o material deve ter propriedades piezelétricas, através da maximização de uma medida de controlabilidade. Os exemplos numéricos mostram que a abordagem utilizada neste trabalho pode produzir uma topologia estrutural bem definida com uma boa colocação para os atuadores. Além disso, as topologias ótimas encontradas são capazes de melhorar o amortecimento ativo da estrutura. / This work develops an optimal design methodology for actively controlled structures, aiming to suppress vibrations induced by external disturbances. Design is conducted simultaneously for the structural topology and actuator placement. A topology optimization problem is formulated for three material phases (two solid materials and void) with two design variables groups. A non-piezoelectric elastic isotropic material forms the structural only part of the design, while a piezoelectric material composes the active part. Since there is no efficient method to treat structural and control design variables in the same optimization framework, this work proposes a nested solution approach, where the actuator locations and controller syntheses are regarded as a parallel design to the main optimization process dealing with the structural topology. The main optimization loop designs the structural variables, i.e., it is decided where there should be solid material and where there should be voids, through a minimum compliance design problem. The actuators are placed by considering a control law optimization that defines where the material should have piezoelectric properties, through the maximization of a measure of controllability. Numerical examples show that the approach used in this paper can produce a clear structural topology with a good actuator placement. Besides, the optimal topologies can improve the active damping.

O presente trabalho avalia a otimização de parâmetros concentrados de suspensão em veículos e considera a importância deste processo para minimizar a aceleração vertical rms transmitida para garantir conforto e segurança ao motorista. Dessa forma, o trabalho objetiva desenvolver uma modelagem capaz de representar o veículo completo para então otimizar os parâmetros de rigidez e amortecimento no domínio da frequência e identificar, em torno do ponto ótimo, quais desses parâmetros mais influenciam nessa minimização. Para atingir esses objetivos, dois modelos veiculares (com dois e oito graus de liberdade respectivamente) são propostos conforme as orientações das normas BS 6841 (1987), ISO 8608 (1995) e ISO 2631 (1997). Os modelos são analisados linearmente e otimizados por um algoritmo heurístico de enxame de partículas. Finalmente, os resultados de rigidez e amortecimento da suspensão são obtidos e reduzem em até 35,3% a aceleração vertical rms transmitida ao motorista. Por meio de uma análise de sensibilidade, as variáveis de projeto que mais contribuem para essa redução são identificadas. / The present work evaluates the optimization of lumped parameters of suspension on vehicles and considers the importance of this process to minimize the rms vertical acceleration transmitted to ensure comfort and safety to the driver. Thus, this work aims to develop a model able to represent the whole vehicle and, then, optimize the parameters of stiffness and damping in the frequency domain and identify, around the optimal point, those parameters which most influence in this minimization. To achieve these goals, two vehicle models (with two and eight degrees of freedom respectively) are proposed according to the guidelines of the standards BS 6841 (1987), ISO 8608 (1995) and ISO 2631 (1997). The models are linearly analyzed and optimized by a heuristic algorithm of particle swarm. Finally, the results of stiffness and damping of suspension are obtained and reduces up to 35,3% of rms vertical acceleration transmitted to the driver. Through a sensitivity analysis, the design variables that most contribute to this reduction are identified.