Teses e Dissertações

Tese: Stress Constraint Approaches in Topology Optimization of Hyperelastic Structures

Aluno(a) : André Xavier Leitão
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/25/2024
Local: 106L

Resumo:

Topology optimization is a powerful engineering design tool that can lead to innovative layouts and significantly enhance the performance of engineered systems in various sectors. In a world where we are searching for cost reduction while being ecologically responsible, we should seek practical for applications of topology optimization. Reducing weight while sustaining strength requirements is one of them. Another concern is the accurate prediction of the mechanical behavior of the wide variety of available materials, such as soft and rubber-like elastomers. To this end,incorporating nonlinearities will extend conventional topology optimization to hyperelastic structures and significantly enhance the performance at the primary design stage. We consider the density-based approach, which enforces us to properly address numerical instabilities of low-density regions through an energy interpolation scheme. An augmented Lagrangian-based formulation is used to deal with the large number of stress evaluation points, whereas polynomial vanishing constraints are employed to overturn the “singularity” phenomenon. We conducted a preliminary investigation under linear-elastic circumstances to explore different strategies related to stress constraints which justify implementing the augmented Lagrangian method. In addition, we extract analytical expressions for sensitivity analysis with extreme rigor and detail. Problems in plane stress scenarios requires effectively computation of the out-of-plane strain component. Then, we deduced analytical expressions and a numerical solution based on the Newton's method. Different examples validate our method demonstrating the significance of considering stress constraints and nonlinearities in topology optimization. We additionally point out that solutions derived from linear theory often violate stress limits under nonlinear conditions, making them unsuitable for modeling structures that undergo large deformations.

Tese: Controle Preditivo Hierárquico de Veículos Robóticos

Aluno(a) : Anna Rafaela Silva Ferreira
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Vivian Medeiros
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/05/2024
Local: on-line

Resumo:

Robôs móveis autônomos são um grande foco de pesquisa devido à sua aplicabilidade e interdisciplinaridade. Dependendo do tipo de locomoção, o controlador do sistema precisa tratar não somente do seguimento de trajetória, mas também da forma de interação do sistema com o solo. Robôs móveis com roda de direção diferencial, além de possuírem alta não-linearidade, detêm uma característica inerente à sua geometria: suas rodas só podem girar em torno de eixos fixos, sem esterçamento. Com isso, o deslizamento longitudinal e lateral é inevitável, principalmente quando o sistema está em movimento sob efeitos dinâmicos significativos. Controle Preditivo baseado em Modelo Não-Linear (NMPC) é amplamente utilizado nesses casos, já que consegue lidar com sistemas com múltiplas restrições. O presente trabalho apresenta modelos matemáticos de um robô móvel com roda do tipo skid-steer, procedente da direção diferencial, incluindo o deslizamento longitudinal, aos quais o NMPC é empregado para seguimento de trajetória, obtendo trajetórias similares à de referencial. Verificando que o custo de processamento de tais controladores pode ser muito alto para uso em tempo real, um controle hierárquico é desenvolvido otimizando as forças longitudinais entre as rodas e o solo para encontrar deslizamentos de referência para uma determinada trajetória a ser seguida. Como em um ambiente real nem todos os estados podem ser medidos, o controle necessita também estimar os estados não medidos. A Estimação de Estados por Horizonte Móvel (MHSE), derivada dos fundamentos do NMPC, foi utilizada para realizar a estimação, já que possui recursos para manter o sistema sob as restrições. Com o MHSE, o deslizamento do sistema pode ser calculado a partir dos estados estimados para as trajetórias obtidas com o MPC. Por fim, uma rede neural foi treinada com os estados preditos e estimados com o MHSE para que pudesse substituí-lo para que todo o controle fosse utilizado em tempo real. Com isso, o tempo computacional foi reduzido devido a substituição do MHSE.

Link da defesa:

https://puc-rio.zoom.us/j/98433297339?pwd=OXQ2bVdObVVDSGxOTjNEQjB6QlRWZz09
 

Tese: Tolerance to short crack modeling applied to the structural analysis of Hydrogen Embrittlement under H2S brine systems and high-pressure gaseous hydrogen

Aluno(a) : Rodrigo Vieira Landim
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/06/2024
Local:

Resumo: The development of new technologies with hydrogen as an energy source underscores a longstanding challenge in its transportation and storage. Since all structural materials are susceptible to hydrogen embrittlement, whether in electrochemical environments where hydrogen dissociates, adsorbs on metal surfaces, and is absorbed, under cathodic protection, or even at high hydrostatic pressures of hydrogen. The usual approach to solve this problem is to use nobler materials more resistant to hydrogen embrittlement. An alternative approach to mechanical design under hydrogen embrittlement conditions involves the modeling of the behavior of short cracks through linear elastic or elastoplastic fracture mechanics. These models consider two key material parameters: the Environmental Assisted Cracking Resistance Limit (SEAC) and the Crack Propagation Threshold in the environment, represented as KIEAC for the linear elastic case and KJIEAC for the elastoplastic case. In this study, the proposed model is validated by suitable tests under sulfide stress corrosion cracking (HSLA steel and a martensitic stainless steel UNS 41426 exposed to hydrogen sulfide), and in a 17-4PH steel exposed to high-pressure gaseous hydrogen, at 200 bar(g) (about 20MPa) of H2. A T-WOL test methodology recommended in international standards for measuring the fracture toughness at high pressure of H2 for materials with high toughness is evaluated, and it shown that it yields unsatisfactory results. As an alternative, a modified ASTM E1820 test method is proposed to obtain the JR curve under high-pressure H2, showing promising results.

Tese: Modelo numérico semi-analítico para a propagação de ondas acústicas guiadas em tubulares excêntricos com aplicações na perfilagem de poços de petróleo

Aluno(a) : Luis Paulo Brasil de Souza
Orientador(a): Arthur Braga e Alan Kubrusly
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/03/2024
Local:

Resumo: Com o aumento das campanhas de tamponamento e abandono de poços de petróleo maduros pelo mundo, vários centros de pesquisa têm investido em ferramentas de inspeções acústicas e técnicas mais robustas para analisar a integridade do poço de petróleo através do tubo de produção. As análises através do tubo de produção proporcionam uma economia significativa na etapa de abandono, porém a sua análise é complexa devido a baixa energia recebida e por eventuais excentricidades. O objetivo deste trabalho é analisar as características dos defeitos aplicados na camada de revestimento de cimento de um poço de petróleo com e sem excentricidade do tubo de produção, através de curvas de dispersão e por curvas de coerência de tempo-vagarosidade; e comparar estas curvas com os dados obtidos por simulações pelos métodos de elementos finitos, semianalíticos e experimentos realizados em escala. Os experimentos realizados contemplaram os casos de defeitos mais comuns encontrados, como a canalização de fluido na camada de cimento, excentricidade do tubo de produção e baixa impedância do cimento. Os modelos semi-analíticos quando comparados com o método de elementos finitos mostraram boa coerência. Para todos os casos com o tubo de produção notou-se uma menor quantidade de modos de onda e menor amplitude dos sinais se comparados com os casos sem o tubo de produção. Os resultados do método de coerência tempo e vagarosidade se mostraram pouco eficazes nas análises de defeitos. Concluiu-se que o método semi-analítico, validado através de diversos modelos analíticos, simulações pelo método de elementos finitos e com diversos experimentos, é uma valiosa ferramenta na análise dos defeitos e verificação da variação dos modos de onda com a excentricidade aplicada.

Tese: Avaliação de parâmetros estruturais baseada em dados: explorando ondas ultrassônicas guiadas por meio de modelagem computacional e aprendizado de máquina

Aluno(a) : Bárbara Valéria de Abreu Lavôr
Orientador(a): Arthur Braga e Paula Sesini
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/19/2024
Local:

Resumo: Métodos não destrutivos desempenham um papel fundamental na análise de integridade de componentes civis e mecânicos. Este trabalho apresenta uma abordagem integrativa que pode ser aplicada em avaliações estruturais, envolvendo o estudo de ondas ultrassônicas guiadas com técnicas de aprendizado de máquina, juntamente com métodos alternativos para ampliar o conjunto de dados necessários para treinamento dos modelos de predição. É proposta uma metodologia para a estimativa de tensão em placas, incorporando dados sintéticos gerados por interpolação linear a partir de resultados experimentais. Paralelamente, utilizando o Semi-Analytical Finite Element Method (SAFE), foi examinada a propagação de ondas em guias cilíndricos, comparando resultados com simulações numéricas e posteriormente, aplicando o método SAFE para gerar curvas de dispersão que servem de dados para alimentar uma rede neural para predição de espessura nominal de dutos. Este estudo contribui para a eficiência e precisão das metodologias aplicadas em integridade estrutural, englobando abordagens de dados experimentais e simulados computacionalmente.

Tese: Analysis and Modeling of Torsional Vibrations and Stick-Slip Phenomenon in Slender Structure Systems: Experimental Investigations and Nonlinear Identification

Aluno(a) : Ingrid Pires Macedo Oliveira dos Santos
Orientador(a): Helon Ayala e Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/23/2023
Local:

Resumo: During drilling for oil extraction purposes, the drill string experiences complex dynamic behavior, and this work delves into the experimental study and the mathematical modeling of such behavior. Self-excited vibrations, such as axial, lateral, and torsional vibrations, which can lead to detrimental effects such as bit bouncing, whirling, and torsional stick-slip are highlighted in this thesis due to possible premature failures of drilling components. Distinct aspects of drilling dynamics are considered in this investigation to enhance the understanding of various phenomena. Initially, an experimental analysis of a lab-scale rig is conducted, providing valuable insights into the dynamics of such systems. And the influence of control parameters on the system's response is examined, particularly in identifying the conditions under which the stick-slip phenomenon is likely to occur. Secondly, the thesis proposes system identification strategies for nonlinear systems, specifically focusing on the same laboratory test rig. An innovative ensemble approach is proposed, which combines gray and black-box modeling techniques to effectively calibrate the parameters of a dynamical system, particularly those associated with friction. This approach improves prediction accuracy compared to traditional gray-box methods while maintaining interpretability in the dynamic responses. Furthermore, the research employs physics-informed deep learning to estimate the low-dimensional model mechanical and friction parameters. Calibration using experimental data obtained from a specialized setup provides insights into the drill-string system's behavior. Finally, the thesis involves experimental investigations on the coupling between torsional and axial oscillations using a modified and adapted lab-scale drilling rig equipped with real drill bits and rock samples. In summary, this thesis advances our understanding of drill-string dynamics and presents helpful applications for system identification techniques in torsional and axial oscillations analysis. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/99737838975?pwd=S2JPUXc2TnJIc0c1MWg1S3RRc3YwZz09    

Tese: Analytical modeling of an acoustic-electric transmission channel in cylindrical coordinates with a transversely polarized transducer

Aluno(a) : Juan Andres Santisteban Hidalgo
Orientador(a): Arthur Braga e Alan Conci
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/11/2023
Local:

Resumo: Cylindrical wave propagation in elastic materials has usually been modeled with analytical approaches or with numerical methods, such as the finite element method. However, depending on the frequency, obtaining results can be a hard task, requiring high computational efforts. Within this context, some studies on acoustic energy transfer, using piezoelectric transducers, had adopted alternative methods for modeling wave propagation, by means of acoustic-electric channels. Among the available methods in the literature, the two-port network approach, derived from the electric circuit analysis, proved to be prominent. In this thesis, by using impedance analogies, this method is brought into the context of acoustic wave propagation, leading to transfer matrices based on transmission parameters, or the so-called ABCD parameters. It was verified that the same results with less computational effort were obtained. So far, this method was only developed for the plane wave propagation in elastic solids and piezoelectric materials. However, since many real applications are curved, the two-port network approach is extended for the cylindrical wave case in this work. The novel ABCD parameters are then implemented in a computational routine, modeling pulse-echo and pitch-catch tests inside cylindrical media. The validation was performed by means of a convergence analysis, varying the internal radius of the entire channel, since the new ABCD parameters showed an inverse proportionality with the radius of the layer. Furthermore, the developed method was capable of modeling a signal transmission experimental setup, coming from a cylindrical transducer submerged in a water tank, as well as modeling the transmission of the same signal through a cylindrical barrier.

Tese: Cosserat rods and their application to drill-string dynamics

Aluno(a) : Hector Eduardo Goicoechea Manuel
Orientador(a): Roberta Lima e Fernando Buezas
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/19/2023
Local:

Resumo: In this thesis, the theory of Cosserat rods is applied to the dynamics of drill-strings. The main objective is to evaluate the behaviour of these strings when they move within curved wells. To achieve this goal, a deterministic structural model is constructed, where the drill-pipes and the bottom hole assembly are taken as a Cosserat rod. Next, a strategy to deal with the lateral contact in curved well configurations is developed. After that, the free boundary problem is assessed: while drilling, the boundary changes due to cutting, modifying the position of the soil and, consequently, changing the bit-rock interaction forces. For this reason, a bit-rock model that can account for the cutting dynamics is adopted, in which an extra advection equation is solved together with the equations of motion of the Cosserat rod. Next, application cases are provided. First, some effects included in the model are tested in isolation, such as the lateral friction, the lateral contact, and the cutting. After that, they are all combined. In the first analysis, an off-bottom string is simulated, i.e. without contact at the bit. This allows testing the formulation associated with the lateral contact. Also, the calibration of the lateral friction parameters is made. Following that, the strategy to account for the cutting at the bit is implemented in a low-dimensional 2-DOF model, and in a semi-discrete model with a continuous wave equation for the torsional dynamics. The results show that the use of continuous approaches is more appropriate than low-dimensional models. Especially when long columns are considered, and when there is interest in understanding not only the behaviour at the bit but also along drill-pipes. This finding is reinforced by another application where the cutting dynamics are combined with the Cosserat rod formulation. Again, similar observations from a qualitative point of view are found. Overall, the differences in the results between the lumped low-dimensional models and the continuous Cosserat rod justify the development and application of the Cosserat approach to drilling structures. Finally, an introductory stochastic analysis concerning the variability of the rock is presented as an introduction to a future line of research, where stochasticity is included. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/95348295848?pwd=dEtobE11YkF4cjZjZU1ZanAwYWVLUT09 Meeting ID: 953 4829 5848 Passcode: 887186

Tese: Análise do custo computacional do método de Monte Carlo: uma abordagem estocástica aplicada a um problema de vibrações com stick-slip

Aluno(a) : Mariana Gomes Dias dos Santos
Orientador(a): Roberta Lima e Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/31/2023
Local:

Resumo: Um dos objetivos desta tese é analisar o custo computacional do método de Monte Carlo aplicado a um problema modelo de dinâmica, considerando incertezas na força de atrito. O sistema mecânico a ser estudado é composto por um oscilador de um grau de liberdade que se desloca sobre uma esteira em movimento. Considera-se a existência de atrito seco entre a massa do oscilador e a esteira. Devido a uma descontinuidade na força de atrito, a dinâmica resultante pode ser dividida em duas fases que se alternam, chamadas de stick e slip. Neste estudo, um parâmetro da força de atrito dinâmica é modelado como uma variável aleatória. A propagação de incerteza é estudada por meio da aplicação do método de Monte Carlo, considerando três abordagens diferentes para calcular aproximações da resposta dos problemas de valor inicial que modelam a dinâmica do problema: NV) aproximações numéricas calculadas usando método de Runge-Kutta de 4º e 5º ordens com passo de integração variável; NF) aproximações numéricas calculadas usando método de Runge-Kutta de 4º ordem com passo de integração fixo; AN) aproximação analítica obtida com o método de múltiplas escalas. Nas abordagens NV e NF, para cada valor de parâmetro uma aproximação numérica foi calculada. Já para a AN, apenas uma aproximação analítica foi calculada e avaliada para os diferentes valores usados. Entre as variáveis aleatórias de interesse associadas ao custo computacional do método de Monte Carlo, encontram-se o tempo de execução e o espaço em disco consumido. Devido à propagação de incertezas, a resposta do sistema é um processo estocástico com uma sequência aleatória de fases de stick e slip. Essa sequência pode ser caracterizada pelas seguintes variáveis aleatórias: instantes de transição entre as fases de stick e slip, suas durações e o número de fases. Para estuaire as variáveis associadas ao custo computacional e ao processo estocástico foram construídos modelos estatísticos, histogramas normalizados e gráficos de dispersão. O objetivo é estudar a dependência entre as variáveis do processo estocástico e o custo computacional. Porém, a construção destas análises não é simples devido a dimensão do problema e a impossibilidade de visualização das distribuições conjuntas de vetores aleatórios de três ou mais dimensões.

Tese: Nonlinear system identification of hybrid machine learning and physical models for mechanical systems

Aluno(a) : Daniel Henrique Braz de Sousa
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/06/2023
Local:

Resumo: There is a growing demand for accurate dynamic models, driven by the Industry 4.0 paradigm that introduces, among others, the concept of the digital twin in which dynamic models play an important role. Ideally, a dynamic model presents a compromise between complexity and accuracy, while providing physical interpretability about the system. Aiming at these characteristics, this work proposes a hybrid identification methodology that combines a gray-box phenomenological model with a black-box model based on artificial neural networks. The proposed methodology is applied in three case studies of nonlinear systems with experimental data, namely, the vertical dynamics of a vehicle, an elastomer-based series elastic actuator, and an electromechanical positioning system. The results show that the proposed hybrid model is up to 60\% more accurate while providing the physical interpretability of the system, without significantly increasing the complexity of the model.  

Tese: Nonlinear identification and predictive control of vehicle dynamics

Aluno(a) : Lucas Castro Sousa
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/14/2023
Local:

Resumo: Autonomous vehicles are those in which some aspects of a safety critical control function (e.g., steering, braking) occur without direct driver interference increasing safety and improving energy efficiency. Moreover, autonomous vehicles can understand the environment to navigate safely at a determined trajectory, enhancing driver comfort, traffic flow, and transportation costs. One critical part is establishing accurate and computationally efficient vehicle models. Thus, to cope with these problems, the present work applies artificial neural networks and system identification methods to perform vehicle modeling and trajectory tracking control. First, a neural architecture is used to capture tire characteristics present in the interaction between lateral and longitudinal vehicle dynamics, reducing computational costs for predictive controllers. Secondly, a combination of black-box models is used to improve predictive control. Then, a hybrid approach combines data-driven models with black-box modeling of the discrepancies. This approach is chosen to improve the accuracy of vehicle modeling by proposing a discrepancy model to capture mismatches between vehicle models and measured data. Results are shown when the novel methods are applied to systems with simulated and real data and compare them with approaches found in the literature, showing overall favorable results for the proposed approaches herein.  

Tese: Análise das Resistências de Componentes Fabricados por Manufatura Aditiva

Aluno(a) : Renan Ferreira Fraga Wanderley
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2022
Local:

Resumo: A manufatura avançada, mais especificamente a manufatura aditiva, tem sido explorada cada vez mais, desde o surgimento da chamada Indústria 4.0. As técnicas de impressão 3D, incluindo a grande diversidade de tecnologias e de materiais que podem ser utilizados, permitem uma grande gama de aplicações. Com o intuito de explorar mais e aprofundar os estudos ligados a este tema, esta pesquisa investigou as propriedades mecânicas do aço inoxidável PH1, fabricado numa impressora EOS M280 através do processo de sinterização de camadas por laser. Buscou-se explorar as características do material, identificando A manufatura avançada, mais especificamente a manufatura aditiva, tem sido explorada cada vez mais, desde o surgimento da chamada Indústria 4.0. As técnicas de impressão 3D, incluindo a grande diversidade de tecnologias e de materiais que podem ser utilizados, permitem uma grande gama de aplicações. Com o intuito de explorar mais e aprofundar os estudos ligados a este tema, esta pesquisa investigou as propriedades mecânicas do aço inoxidável PH1, fabricado numa impressora EOS M280 através do processo de sinterização de camadas por laser. Buscou-se explorar as características do material, identificando influências da forma de fabricação e comparando as suas propriedades medidas, com as que são informadas pelo fabricante da impressora e com materiais laminados similares encontrados no mercado. Os ensaios definidos foram selecionados considerando a obtenção das propriedades mais relevantes do material para a indústria, desde as resistências até a rugosidade da superfície das peças produzidas. Estes indicam que o material é resistente, mas deve ser utilizado com algumas considerações pois este sofre grande influência da orientação de impressão. Os resultados medidos foram comparados com os obtidos pela manufatura tradicional, para que fosse possível analisar a viabilidade e confiabilidade de substituição do método de fabricação. Adicionalmente, foi desenvolvido um roteiro de fabricação digital de peças de reposição, para permitir a fabricação de peças. Juntamente com os ensaios mecânicos realizados, este estudo permite a avaliação do uso da impressão 3D como uma possível substituta da fabricação tradicional.  

Tese: Locally stress-constrained topology optimization with continuously varying loading direction and amplitude: Toward large-scale problems

Aluno(a) : Fernando Vasconcelos da Senhora
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2022
Local:

Resumo: Inside the field of structural optimization, Topology Optimization (TO) is one of the most general techniques because it is able to generate incredibly complex structures with intricate details for a wide range of problems. However, most of the works in TO have focused on compliance-based design that does not consider structural integrity in the design process leading to structures that do not satisfy material failure requirements. In this work, we focus on the stress-based design approach. We introduce stress constraints in the optimization procedure to guarantee the structural integrity of the final optimized design. This approach leads to a more natural formulation that addresses a simple engineering question: what is the lightest structure able to withstand its loads? We developed a large-scale GPU-based parallel stress-constrained TO framework considering a continuous range of varying load directions to answer this question and close the gap between TO and practical application. The developed GPU-based C++/CUDA framework efficiently addresses the main challenges of large-scale TO, such as filtering, optimization algorithm, and the solution of the equilibrium equations, only requiring a moderately affordable GPU hardware. At the same time, we obtain more robust and suitable designs for engineering applications by considering a continuous variable range of load directions that more closely resemble real-life service loads using a worst-case analytical approach. We present several numerical results, including 3D problems with over 45 million constraints providing detailed optimal structures that demonstrate the capabilities of the techniques developed in this work. The large-scale GPU framework, combined with the analytical solutions for continuously varying load directions, has the potential to expand the applications of TO techniques leading to new and improved engineering designs.  

Tese: Desenvolvimento e controle de um acoplador elástico baseado em elastômeros para SEA

Aluno(a) : Felipe Rebelo Lopes
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/11/2022
Local:

Resumo: Questões de segurança têm sido fatores cruciais para que robôs se tornem aptos a trabalhar em colaboração com seres humanos, robôs esses denominados COBOTS (robôs colaborativos). Esse esforço envolve um controle de força mais refinado e uma certa flexibilidade nas juntas para que a adaptação dos robôs ao ambiente real e às atividades comuns dos seres humanos seja efetiva. Uma das tecnologias com esse objetivo é o Atuador Elástico em Série (SEA - Series Elastic Actuator), que apresenta um bom desempenho para controle de força, tolerância a impactos causados por agentes externos, baixa impedância, e em alguns casos até a redução de vibrações mecânicas. Em um SEA, um elemento elástico passivo é adicionado entre o motor e o elo acionado, a fim de gerar uma flexibilidade desejada. Este elemento pode ser uma mola tradicional, ou outro elemento deformável com flexibilidade caracterizada por sua geometria e pela elasticidade do material utilizado. Esta tese propõe um Atuador Elástico em Série Baseado em Elastômero (eSEA), cuja flexibilidade é obtida a partir de um elastômero depositado entre dois elementos metálicos: um interno preso ao atuador, e o outro externo preso ao elo. O eSEA foi projetado e avaliado por software de CAD e Elementos Finitos, com o intuito de obter a flexibilidade desejada para a aplicação. Foram produzidas duas versões do eSEA, com duas durezas diferentes: 10 e 55 Shore A. Testes estáticos com células de carga foram então executados para caracterizar a rigidez dos eSEA. Os eSEA foram instalados em manipuladores robóticos especialmente desenvolvidos para essa tese. Experimentos compararam o desempenho das técnicas de controle com e sem a influência dos eSEA, mostrando que o uso dos eSEA diminuiu os erros de posicionamento do manipulador e possibilitou o controle de força sem a necessidade de sensores específicos.        

Tese: Real-Time Metric-Semantic Visual SLAM for Dynamic and Changing Environments

Aluno(a) : João Carlos Virgolino Soares
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Marcelo Gattass
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/11/2022
Local:

Resumo: Mobile robots have become increasingly important in modern society, as they can perform tasks that are tedious or too repetitive for humans, such as cleaning and patrolling. Most of these tasks require a certain level of autonomy of the robot. To be fully autonomous and perform navigation, the robot needs a map of the environment and its pose within this map. The Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) problem is the task of estimating both map and localization, simultaneously, only using sensor measurements. The visual SLAM problem is the task of performing SLAM only using cameras for sensing. The main advantage of using cameras is the possibility of solving computer vision problems that provide high-level information about the scene, such as object detection. However, most visual SLAM systems assume a static environment, which imposes a limitation on their applicability in real-world scenarios. This thesis presents solutions to the visual SLAM problem in dynamic and changing environments. A custom deep learning-based people detector allows our solution to deal with crowded environments. Also, a combination of a robust object tracker and a filtering algorithm enables our visual SLAM system to perform well in highly dynamic environments containing moving objects. Furthermore, this thesis proposes a visual SLAM method for changing environments, i.e., in scenes where the objects are moved after the robot has already mapped them. All proposed methods are tested in datasets and experiments and compared with several state-of-the-art methods, achieving high accuracy in real-time.    

Tese: Advanced Estimation and Control Applied to Vehicle Dynamic Systems

Aluno(a) : Elias Dias Rossi Lopes
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/09/2022
Local:

Resumo: The rising demand of autonomous and intelligent transportation systems requires the development of advanced control and estimation techniques, aiming to ensure safety and efficient operations. Due to the nonlinear nature of vehicle dynamics and its characteristic phenomena, classical estimation and control methods may not achieve adequate results, which encourages the research of novel algorithms. By some contributions, the first part of this work deals with estimation algorithms, both for identification of time invariant parameters and for estimation of states and time varying parameters. Special emphasis is given to Moving-Horizon State Estimation (MHSE), which is presented to be robust and accurate, due to the constrained optimization problem on which it is based. This algorithm is evaluated in vehicle longitudinal dynamics, for slip and tire-road friction estimation. Despite its efficiency, the high computational cost makes it necessary to search for suboptimal alternatives, and the employ of a Neural Networks that maps the optimization results is a promising solution, which is treated as Neural Networks Moving-Horizon Estimation (NNMHE). The NNMHE is evaluated on a state-of-charge (SOC) estimation of batteries for electric vehicles, demonstrating, through experimental data, that the NNMHE emulates accurately the optimization problem, and the literature indicates its effectively application on embedded hardware. Finally, a contribution about Nonlinear Model-based Predictive Control (NMPC) is presented. It is proposed and evaluated its use compounding a novel hierarchical control framework for electric vehicles with independent in-wheel motors, through which it is possible to adequately control the vehicle on velocity and path tracking tasks, with reduced computational effort. The control is evaluated using experimental obtained tire data, which approaches the simulation to real situations.  

Tese: An excursion in the dynamics of flexible beams: from modal analysis to nonlinear modes

Aluno(a) : Gustavo Brattstroem Wagner
Orientador(a): Rubens Sampaio e Roberta Lima
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/07/2022
Local:

Resumo: Flexible beams are becoming ubiquitous in several industrial applications, as new projects often aim for lighter and longer structures. This fact is directly related to the new challenging demands on structural performances, or it is a simple consequence of the engagement of industries in cost reduction programs (usage of less material). Flexible beams are usually modeled under the assumption of large displacements, finite rotations, but with small strains. Such hypotheses allow the equation of motion to be built using co-rotational finite elements. The co-rotational formulation decomposes the total motion of a flexible structure into two parts: a rigid body displacement and an elastic (small) deformation. This way, the geometric nonlinearity caused by the large displacements and rotations of the beam's cross sections can be efficiently computed. One of the novelties of this thesis is the direct usage of the equation of motion generated by a co-rotational finite element formulation in the computation of nonlinear normal modes (NNM). So far, most of the dynamic analyses with co-rotation finite element models were restricted to numerical integrations of the equation of motion. The knowledge of NNMs can be beneficial in the analysis of any nonlinear structure since it allows a thoroughly understanding of the vibratory response in the nonlinear regime. They can be used, for example, to predict a hardening/softening behavior, a localization of the responses, the interactions between modes, the existence of isolas, etc. The Rosenberg’s definition of NNM as periodic solutions (non-necessarily synchronous motion) is adopted here. The Harmonic Balance method and the Shooting methods are presented and used to compute periodic solutions of nonlinear systems. A numerical path continuation scheme is implemented to efficiently compute NNMs at different energy levels. Numerical examples show the capability of the proposed method when applied to co-rotational beam elements.  

Tese: Engenharia de recursos para lidar com dados ruidosos na identificação esparsa sob as perspectivas de classificação e regressão

Aluno(a) : Thaynã da Silva França
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2021
Local:

Resumo: Os sistemas dinâmicos desempenham um papel crucial no que diz respeito à compreensão de fenômenos inerentes a diversos campos da ciência. Desde a última década, todo aporte tecnológico alcançado ao longo de anos de investigação deram origem a uma estratégia suportada por uma poderosa entidade, permitindo a inferência de modelos capazes de representar sistemas dinâmicos. A entidade citada que, por sua vez, pode aparecer de várias formas, é amplamente conhecida como dados. Além disso, independentemente dos tipos de sensores adotados a fim de realizar o procedimento de aquisição de dados, é natural verificar a existência de uma certa corrupção ruidosa nos referidos dados. Genericamente, a tarefa de identificação é diretamente afetada pelo cenário ruidoso previamente descrito, implicando na falsa descoberta de um modelo generalizável. Em outras palavras, a corrupção ao ruído pode ser responsável pela geração de uma representação matemática infiel de um determinado sistema. Neste trabalho, sob as perspectivas de classificação e regressão, demonstramos como a hibridação de várias técnicas de aprendizado de máquinas melhora a robustez ao ruído no que diz respeito à tarefa de identificação. Especificamente, no trabalho atual, mostramos o sucesso da estratégia proposta a partir de exemplos numéricos, tais como o crescimento logístico, oscilador Duffing, modelo FitzHugh-Nagumo, atrator de Lorenz e uma modelagem Suscetível-Infeccioso-Recuperado do SARS-CoV-2.  

Tese: Trajectory Optimization for Hybrid Wheeled-Legged Robots in Challenging Terrain

Aluno(a) : Vivian Suzano Medeiros
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/29/2020
Local:

Resumo: Wheeled-legged robots are an attractive solution for versatile locomotion in challenging terrain. They combine the speed and efficiency of wheels with the ability of legs to traverse challenging terrain. In general, the challenges with wheeled-legged locomotion involve trajectory generation and motion control for trajectory tracking. This thesis focuses in particular on the trajectory optimization task for wheeled-legged robots navigating in challenging terrain. For this, a motion planning framework is proposed that optimizes over the robot's base position and orientation, and the wheels' positions and contact forces in a single planning problem, taking into account the terrain information and the robot dynamics. The robot is modeled as a single rigid-body, which allows to plan complex motions for long time horizons and still keep a low computational complexity to solve the optimization quickly. The knowledge of the terrain map allows the optimizer to generate feasible motions for obstacle negotiation in a dynamic manner, at higher speeds. Such motions cannot be discovered without taking into account the terrain information. Two different formulations allow for either purely driving motions, where obstacle negotiation is enabled by the legs, or hybrid driving-walking motions, which are able to overcome discontinuities in the terrain profile. The optimization is formulated as a Nonlinear Programming Problem (NLP) and the reference motions are tracked by a hierarchical whole-body controller that computes the torque actuation commands for the robot. The trajectories are verified on the quadrupedal robot ANYmal equipped with non-steerable torque-controlled wheels in simulations and experimental tests. The proposed trajectory optimization framework enables wheeled-legged robots to navigate over challenging terrain, e.g., steps, slopes, stairs, while negotiating these obstacles with dynamic motions.   

Tese: An effective compatibility scheme in multiscale topology optimization of structures

Aluno(a) : Giovanny Alberto Meneses Arboleda
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/27/2020
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Resumo: Recent advances in additive manufacturing techniques have increased their flexibility in making complex parts on a smaller scale. In this context, the design of porous microstructures has been standing out in the scientific community due to the ability to optimize the cell topology to meet the stress design requirements. However, there are several challenges that inhibit the fabrication of optimized parts obtained by the multi-scale topology optimization method, such as the connectivity of microstructures. The multiscale topological optimization consists of the optimization of both the macro-scale, global structure, and the micro-scale, microstructure of the material. The main objective of this work is to develop an effective scheme to guarantee compatibility in the transition between the different material microstructures obtained in multiscale optimization. The multiscale methodologies for simultaneous topological optimization of both scales and the homogenization procedures are described. The main numerical and computational aspects of these methods are presented, as well as representative examples to illustrate the capabilities of the proposed scheme.   

Tese: Projeto de mecanismo, análise cinemática e dinâmica de um manipulador robótico acionado por junta cardânica ativa com três graus de liberdade

Aluno(a) : Jean Carlo Ferreira de Oliveira
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/30/2020
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Resumo: O uso de juntas cardânicas ativas é restrito pela capacidade de torque de pequenos motorredutores e, atualmente, os dispositivos embarcados são obrigatórios para as aplicações robóticas. Nesta tese, um novo conceito de manipulador robótico acionado por juntas cardânicas com três graus de liberdade foi introduzido. O controle dinâmico é essencial para estudar as limitações desse dispositivo, portanto, o objetivo deste estudo foi controlar a junta cardânica ativa de três graus de liberdade usando simulações numéricas e experimentais. O manipulador foi projetado com apenas uma junta cardânica para que a sua cinemática e dinâmica sejam exploradas; por esse motivo, a junta foi construída com sensores de carga na base e sensor de unidade de movimento inercial na parte superior do efetuador do manipulador. Além disso, foram fabricadas três placas de controle: a primeira foi projetada para controlar os três acionamentos dos motores de passo; a segunda, para ler o sensor da unidade de movimento inercial; e a última, para ler os sensores de carga. Quatro problemas foram descritos para testar os limites deste dispositivo, analisando, além da cinemática e dinâmica, o atrito do rolamento, a identificação da folga e o torque do impacto. O primeiro problema mantém a posição do efetuador do manipulador constante enquanto transmite rotação entre os eixos. O segundo problema, o efetuador recebe um caminho planejado, por exemplo, um círculo, mas não transmite rotação entre os eixos. O terceiro problema é a combinação dos movimentos anteriores, em que o efetuador transmite rotação entre os eixos, enquanto segue por um caminho planejado. Para o quarto problema: uma nova abordagem é aplicada para mover o efetuador de um ponto para outro usando rotação cônica. Uma nova notação dinâmica é introduzida para esclarecer e simplificar a matemática usada para descrever a dinâmica de um corpo rígido 3D para resolver a cinemática e a dinâmica inversa, sendo os resultados numéricos do modelo físico comparados com os experimentais para definir os limites de aplicação da junta.  

Tese: Topology Optimization for non-Newtonian Fluid-Flow Problems using the Virtual Element Method

Aluno(a) : Miguel Ángel Ampuero Suárez
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/17/2020
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Resumo: This work presents selected applications of topology optimization for non-Newtonian fluid flow problems using the virtual element method (VEM) in arbitrary two-dimensional domains. The objective is to design an optimal layout into a fluid flow domain to minimize dissipative energy governed by the Navier–Stokes–Brinkman and non-Newtonian Carreau–Yasuda model equations. The porosity approach proposed by (Borrvall and Petersson, 2003) [1] is used in the topology optimization formulation. To solve this problem numerically, the recently proposed VEM method is used. The key feature that distinguishes VEM from the standard finite element method (FEM) is that the interpolation functions in the interior of the elements do not need to be computed explicitly. This is because the integration is on lower-order polynomial and basis functions, and there is great flexibility by using a nonconvex element. Therefore, the computation of the main element matrices and vectors are reduced to the evaluation of geometric quantities on the boundary of the elements. Finally, several numerical examples are provided to demonstrate the efficiency of the VEM compared to FEM and the applicability of the topology optimization to fluid flow problems.

Tese: Modern Experimental Techniques with an Emphasis on Infrared Thermography to the Assessment of Fatigue Components with Dents

Aluno(a) : Vitor Eboli Lopes Paiva
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/13/2020
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Resumo: Infrared thermography has been used as a nondestructive evaluation (NDE) technique to detect flaws in structural components, playing an important role in manufacturing inspection, in-service inspection and maintenance programs. An investigation program was launched with the objective of presenting combinations of analytical, experimental and numerical methods to predict and monitor fatigue initiation and fatigue damage progression in equipment such as pressure vessels, tanks, piping and pipelines with dents or complex-shaped anomalies. The monitoring of fatigue initiation and propagation in the actual specimens used nondestructive inspection techniques such as thermoelastic stress analysis (TSA), three-dimensional digital image correlation (3D-DIC) and fiber optic Bragg strain gages (FBSG) to determine strains at fatigue hot spots locations. Strain fields determined from the experimental measurements and from the finite element method (FEM) were combined with the fatigue Coffin-Manson strain-life equation and the Miner’s fatigue damage rule to predict fatigue life (N). Results from tested 3m long tubular (with nominal dimensions: 324mm external diameter and 6.35mm wall thickness) specimens containing complex-shaped dents were reported and fully analyzed. This work confirmed that infrared rapid fatigue assessment methods are practical and efficient tools that can provide a reliable, non-destructive and faster results about the fatigue behavior of materials. Good agreement among fatigue life estimations and actual fatigue lives of complex dent shapes in pipeline specimens can only be achieved if accurate measurements or numerical determinations of the circumferential strains actuating at the dent hot-spots were coupled with suitable fatigue strain-life curves. Coupling an experimental technique for accurately determining dent shapes to a numerical strain analysis technique will lead to good hot-spot strain estimations to be combined with the strain-life fatigue curves. The present conclusions can be applied to other structures that may present dents such as tanks and pressure vessels.

Tese: Toward gpu-based ground structures for large scale topology optimization

Aluno(a) : Arturo Elí Cubas Rodriguez
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/08/2019
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Resumo: Topology optimization aims to find the most efficient material distribution in a specified domain without violating user-defined design constraints. When applied to continuum structures, topology optimization is usually performed by means of the well-known density methods. In this work we focus on the application of its discrete formulation where a given domain is discretized into a ground structure, i.e., a finite spatial distribution of nodes connected using truss members. The ground structure method provides an approximation to optimal Michell-type structures, composed of an infinite number of members, by using a reduced number of truss members. The optimal least weight truss for a single load case, under linear elastic conditions, subjected to stress constraints can be posed as a linear programming problem. The aim of this work is to provide a scalable implementation for the optimization of least weight trusses embedded in any domain geometry. The method removes unnecessary members from a truss that has a user-defined degree of connectivity while keeping the nodal locations fixed. We discuss in detail the scalable implementation of the ground structure method using an efficient and robust interior point algorithm within a parallel computing environment (involving Graphics Processing Units or GPUs). The capabilities of the proposed implementation is illustrated by means of large scale applications on practical problems with millions of members in both 2D and 3D structures.

Tese: Verificação da hipótese do Kef como a força motriz da propagação de trincas por fadiga.

Aluno(a) : Julián Andrés Ortiz González
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2019
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Resumo: Medindo a rigidez de corpos de prova em testes de propagação de trinca por fadiga, Elber identificou que a ponta da trinca só está totalmente aberta durante uma parte do ciclo de carregamento, e nomeou o carregamento onde a trinca abre totalmente de carga de abertura Pab. Baseado nisto, Elber assumiu que o dano à frente da trinca era induzido apenas pela fração do carregamento acima da Pab, propondo que a força motriz na propagação de trincas por fadiga é a gama do fator de intensidade de tensões efetivo Kef. Para verificar esta hipótese, neste trabalho foram examinados diferentes cenários em testes de propagação de trinca por fadiga. Primeiramente, em corpos DC(T) de aço AISI 1020 e em corpos DC(T) e C(T) de alumínio 6351-T6 foi propagada uma trinca com K e Kmax quase constantes, medindo a Pab em campo próximo e campo distante, com extensômetros e com um sistema 3D de correlação digital de imagens (DIC). Depois, usando novos corpos DC(T) de aço e de alumínio, foi propagada uma trinca com K e Kmax quase constantes, antes e depois de um evento de sobrecarga, medindo a Pab ao longo do teste, em campo próximo e campo distante. Cabe salientar que nesses testes as espessuras dos corpos de prova foram projetadas para que a trinca propagasse em tensão plana e em deformação plana. Finalmente, em testes de propagação de trinca com K e Kmax quase constantes, em corpos DC(T) de aço e de alumínio, foi medido o campo de deformação a frente da ponta da trinca com um sistema de estéreo microscópio DIC, para analisar o comportamento dentro da zona plástica, medindo também a Pab com os métodos mencionados anteriormente. Dos resultados dos testes três comportamentos foram particularmente relevantes. Nos primeiros testes de propagação com K e Kmax quase constantes, a razão Kab/Kmax diminuía enquanto a trinca propagava com uma taxa constante. Nos testes de sobrecarga o valor mínimo de Kef estava defasado em relação ao valor mínimo de taxa de propagação (da/dN). Já nos testes onde foi medido o campo deformação com o sistema de estéreo microscópio DIC, a deformação 0.1mm à frente da ponta da trinca mostrou que existia dano para cargas abaixo da Pab. Portanto, estes resultados não podem ser explicados pela hipótese de Elber, e contestam o Kef como a força motriz na propagação de trincas por fadiga.

Tese: Robust topology optimization using a non-intrusive stochastic spectral approach

Aluno(a) : Nilton Alejandro Cuellar Loyola
Orientador(a): Ivan Menezes e Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/26/2018
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Resumo: This work presents some applications of stochastic spectral methods for structural topology optimization in the presence of uncertainties. This procedure, known as robust topology optimization, minimizes a combination of the mean and standard deviation of the objective function. For this purpose, a non-intrusive polynomial chaos expansion is integrated into a topology optimization algorithm to calculate the first two statistical moments of the mechanical model response. In order to address variabilities in the structural response, the uncertainties are considered in the loading and the material properties. In this proposed probabilistic formulation, uncertainties are represented as a set of random variables (e.g., magnitudes and directions of the loads) or as random fields (e.g., distributed loads and material properties). A non-Gaussian homogenous random field with a specified marginal distribution and covariance function is used to represent the material uncertainties because it ensures their physical admissibility. Nonlinear “memoryless” transformation of a homogeneous Gaussian field is used for obtaining non-Gaussian fields. The Karhunen-Loève expansion is employed to provide a representation of the Gaussian field in terms of countable uncorrelated random variables. The sparse grid quadrature is considered for reducing the computational cost when computing the coefficients of the polynomial chaos expansion. Moreover, an efficient prediction (i.e., with a low computational cost) of the structural response under uncertainties is presented. Accuracy and applicability of the proposed methodology are demonstrated by means of several topology optimization examples of 2D continuum structures. The obtained results are in excellent agreement with the solutions obtained using the Monte Carlo method. Finally, conclusions are inferred and possible extensions of this work are proposed. 

Tese: Modelagem da propagação da trinca de fadiga através do dano acumulado na zona plástica

Aluno(a) : Samuel Elias Ferreira
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/12/2018
Local:

Resumo: Após identificar que uma trinca de fadiga permanecia fechada durante parte do ciclo, Elber assumiu que o dano era induzido apenas pela fração do carregamento acima da carga necessária para abrir a trinca. Diversos modelos foram propostos utilizando o Keff como força motriz da propagação, como os modelos "strip-yield", que são amplamente utilizados para prever vida residual de componentes trincados. Embora o fenômeno do fechamento da trinca esteja provado, sua real importância na propagação da trinca de fadiga ainda é controversa. Outros mecanismos, além do fechamento da trinca, foram utilizados na tentativa de explicar os efeitos de sequência do carregamento na propagação em amplitude variável, como o campo de tensão residual a frente da trinca. Mesmo após mais de 50 anos de pesquisas desde a proposição da primeira regra de propagação por Paris, ainda não há consenso, nem sobre o mecanismo nem sobre a modelagem. Esse trabalho tem como objetivo apresentar uma modelagem para prever propagação da trinca de fadiga, com base na hipótese de que o dano acumulado por deformação plástica seria a força motriz para propagação. A modelagem proposta se diferença de outros modelos de acúmulo de dano, por permitir que o contato existente entre as superfícies da trinca, exerça influência sobre as deformações plástica a frente de sua ponta. Os resultados mostram que a modelagem proposta possui capacidade de reproduzir curvas de propagação com desempenho semelhante ao modelo "strip-yield". Como os modelos partem de hipóteses completamente diferentes, esses resultados confirmam que um bom ajuste de dados não pode ser utilizado como prova de que uma hipótese seja verdadeira. 

Tese: Linear Elastic Fracture Mechanics Analysis of Fatigue Crack Growth under Complex Loading using the Digital Image Correlation Technique

Aluno(a) : Jorge Guillermo Diaz Rodriguez
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/12/2018
Local:

Resumo: Fatigue crack propagation assessment includes identifying the crack direction, knowing the equivalent Stress Intensity Factor (SIF) range, determining a crack length growth rate per number of cycles (da/dN), and establishing a crack propagation rule connecting the equivalent SIF and da/dN rate, such as a Paris type of rule. When mixed and non-proportional loading occur, those parameters are not fully understood yet. This thesis deals with some of the variables that influence crack propagation under non-proportional mixed mode loading.The Digital Image Correlation (DIC) technique was used to acquire images of test specimens subjected to cyclic proportional and non-proportional loading. Two types of specimen samples were used. Firstly, two different plate test specimens were tested; a disk compact tension (DCT), and a modified compact tension, C(T). They were subjected cyclic loading inducing crack opening mode I or proportional crack opening modes I and II. Secondly, the previously and elsewhere acquired DIC data for five thin tubes subject to cyclic loading were analyzed. The thin tubes had pre-fabricated slit-notches from which fatigue cracks initiated and propagated. Those five thin tubes were subjected to different cases of proportional and non- proportional loading. One tube specimen was exposed to axial loading and presented mode I crack opening. The other four were subjected to torsion loading or mixed axial-torsional loading and exhibited all three I, II and III crack-opening modes. The experimentally acquired DIC displacement fields were processed to independently calculate SIF for each existing opening mode using linear elastic fracture mechanics (LEFM) formulations. One formulation used full field displacement data acquired in small areas that surrounded the crack tip. Another formulation used data acquired from a pair of points located along the opposite crack flanks. The determined SIFs were used to find equivalent SIFs and equivalent SIF ranges using the maximum tensile stress criterion (for both 2D and 3D versions of combinations of modes I-II and modes I-II-III respectively) which implicitly included the crack propagation angle. It was found that the inclusion of the experimentally determined mode III SIF indeed makes a difference in the determined equivalent SIF and equivalent SIF ranges. A da/dN versus equivalent SIF ranges plot was drafted with the experimentally measured crack growth rates and the SIF ranges that were found by using the widely accepted assumption that the cracks grew in the direction that maximizes the tensile stress. For this, extensions of the Schöllmann et. al. model as well as of the Erdogan-Sih model, which are generally applied to proportional loading, were used to determine equivalent SIFs and equivalent SIF ranges for the cases of proportional and non-proportional loading. Finally, the second stage of the Paris rule (da/dN versus SIF range) was plotted for the five thin tubes loading cases showing that they fell inside a reasonably thin scattered band.  

Tese: Nonlinear dynamic analysis of dry friction-induced torsional vibration in a drill-string experimental set-up

Aluno(a) : Bruno Cesar Cayres Andrade
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/10/2018
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Resumo: The latter round bids of the pre-salt for exploration and production of oil and natural gas in Brazil indicate the drilling operations will become more intense in coming years. The rotational drilling process is largely used to reach the oil reservoirs and because of diameter-to-length ratio of the drilling system, torsional vibration mode is present in most all drilling processes and may reach an undesired severe stage: the stick-slip phenomenon. In order to address this problem, the torsional vibration mode is isolated and the stick-slip is observed in a fully instrumented drill-string experimental set-up in this work. During this phenomenon, another torque may be applied on an intermediate position of the test bench. The mathematical model is obtained via the lumped parameters technique and then it is compared to experimental data for the purpose to verify whether the mathematical model is representing the experimental apparatus. Using the validated mathematical model, a stability analysis is performed in order to identify stable solutions of the system. Therewith, one observed that there is a range of the bifurcation parameter in which stable equilibrium and periodic solutions may coexist. For a given stick-slip situation in bi-stability range, two mitigation strategies of torsional vibration were considered: they consisted of imposing perturbations in the system via torques on the intermediate position of the test bench. Numerically, the strategies presented efficiency in such a way that the stick-slip was completely eliminated: the energies of the system and the work created by the intermediate torque were compared in order evaluate the feasibility and reasonableness of the strategy. Experimentally the system continued to oscillate, however it presented a significant reduction of stick phase even with limitations of torque applications

Tese: Analysis of Control Strategies for Autonomous Scale Motorcycles Stabilization and Trajectory Tracking

Aluno(a) : Marilia Maurell Assad
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/21/2018
Local:

Resumo: Autonomous vehicles are an interesting and recent problem, with its application in cars and motorcycles still in its early stages. In addition to the inherent difficulties in making a vehicle move independently, the autonomous motorcycle has to be able to remain stable at any speed and trajectory. The vehicle s stability can be achieved by different solutions and control techniques. The main objective of this work is to develop an autonomous electric motorcycle with low cost sensing system. For this, a dynamic model of two-wheeled vehicles is analyzed, capable of describing the dynamic behavior while being simple enough to allow the implementation of real-time linear control strategies. The controller has two different objectives: to maintain the motorcycle stable and to follow a desired trajectory, in an autonomous way. Experiments were carried out with the small scale motorcycle aiming to characterize its elements for the theoretical model; then the proposed control strategies were simulated with the adjusted dynamic model. Finally, the control algorithms are applied to the real system through an actuated platform capable of reproducing the dynamic behavior of single-track vehicles. At last, the present work is a tool for teaching engineering, involving multilevel students around a complex, but familiar, problem. The system allows for continuous learning with increasing difficulty, involving multibody dynamics, experimental results analysis via software simulations, electronics and filters present in the embedded instrumentation and many control techniques to keep the system stable in every desired path, culminating in the experimental application of cited concepts.

Tese: Mitigacao de Esforços Impulsivos Utilizando Metamateriais Elasticos

Aluno(a) : Gustavo Simão Rodrigues
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/19/2017
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Resumo:

O intuito de deste trabalho é aplicar metamateriais elásticos na mitigação de esforços impulsivos gerados por um disparo de um armamento. Os impactos ou forças impulsivas são caracterizados por forças de magnitudes muito altas aplicadas em um tempo extremamente pequeno, implicando em grandes acelerações e desacelerações. Tal comportamento é amplamente estudado na literatura nas esferas impactantes do Berço de Newton e este trabalho tem seu início por meio da análise do comportamento dessas esferas e dos modelos das forças de contato entre elas. Em seguida é analisado o Berço de Newton por meio do enfoque da propagação de ondas e uma comparação entre a modelagem numérica e analítica é comprovada. Os metamateriais elásticos, componentes com propriedades especiais, são apresentados e sua característica de bloquear propagações em determinadas faixas de frequência é verificada. Também é desenvolvida experimentalmente uma célula unitária e é feita a comprovação da capacidade de atenuação da propagação de determinada faixa de frequência. O sistema de recuo, local proposto para verificar a eficiência do emprego dos metamateriais, é modelado de forma simplificada, bem como dois novos modelos são propostos com o objetivo de se verificar qual é mais indicado para a aplicação dos metamateriais. Finalmente é feita a modelagem de uma possível aplicação, visando a construção de um dispositivo composto por metamateriais elásticos para ser empregado na mitigação de esforços impulsivos e a redução da força transmitida para o suporte que todo o conjunto está fixo é numericamente comprovada. 

Tese: Development of a robust and fault tolerant integrated control system to improve the stability of road vehicles in critical driving scenarios

Aluno(a) : Abel Arrieta Castro
Orientador(a): Hans Weber e Georg Rill
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/06/2017
Local:

Resumo:

Nowadays, new technologies are pushing the road vehicle limits further. Promising applications, e.g., self-driving cars, require a suitable control system that can maintain the vehicle's stability under autonomous driving and critical scenarios. In most of modern cars, the control systems actuate independently, i.e. there is no coordination or data sharing between them. This approach can produce conflicts between these standalone controllers and thus, no improvements on the vehicle's stability are achieved or even a worse scenario for the driver can be produced. In order to overcome these problems, an integrated approach is developed in this dissertation. This integration, defined in this work as Integrated Control (IC), is done by a coordination of all standalone controllers inside the vehicle, i.e. the Anti-Lock Braking System (ABS), the Electronic Stability Program (ESP) and the Four-Wheel Steering System (4WS). The ABS model was built using an ON-OFF control strategy which includes the hydraulic dynamics. To design the ESP, the simple handling vehicle model was used as a reference behavior. The vehicle's tendency, calculated with the desired and actual yaw rate, is used as input of these system and then, braking a specific wheel, it is possible to retain the vehicle's stability. For the 4WS, a simple feed-forward control strategy is employed where the front steering is used as input. The IC was designed using a simple switch control strategy to coordinate all controllers, i.e., ABS, ESP and 4WS. In order to test the performance of the standalone controllers and the IC system, a fully non-linear and three-dimensional multibody vehicle model was developed. In addition, using this non-linear vehicle mathematical model a vehicle simulation package was created, it is named in this thesis as PyCar. This vehicle model is validated using PyCar and set of experimental data obtained by sensors mounted on a scaled car. Finally, in order to prove the advantages of the IC system over the non-integrated approach, simulations in run-off-road scenarios were performed.  

Tese: Numerical and experimental study of two degrees of freedom electrohydraulic manipulator

Aluno(a) : William Schroeder Cardozo
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/26/2017
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Resumo: Thrust Vector Control (TVC) is used for the attitude control of spacecrafts. In the case of liquid-propellant fuel, the nozzle is traditionally connected to the rocket frame through a gimbal. Two hydraulic actuators are placed around the nozzle to control its orientation. In this Thesis, TVC is treated as a fixed base robotic platform. Instead of using commercial servo-valves to control the actuators, a novel control valve is proposed. First a gimbaled platform is considered with two angular position transducers to measure the angular displacement of the joint crosshead. Then, a homokinetic platform configuration is proposed replacing the gimbal by a constant velocity joint. In this case, the platform position feedback is done using a real-time attitude estimator. The estimator is a complementary filter based on orientation matrices that collects data from an inertial measurement unit (IMU). The modeling of the system begins with kinematics. Then, the dynamic modeling uses the Newton-Euler formulation to obtain the equation of motion. The modeling of the electro-hydraulic system is presented with the model of the novel control valve and the linear actuator. Initially, a full proportional controller is proposed. During the experimental validation it is shown that due to the characteristics of the actuation system, even this simple controller is accurate and reliable. Thereafter, it is demonstrated a method to evaluate novel control strategies. The comparison between the gimbaled and homokinetic platform shows that, under the analyzed conditions, they have a similar dynamic behavior. In both platform configurations the system is accurate and reliable.

Tese: Dynamics and control of stick-slip and torsional vibrations of flexible shaft driven systems applied to drillstrings

Aluno(a) : Guilherme Rodrigues Sampaio de Paula
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/20/2017
Local:

Resumo:

Systems actuated trough a highly flexible shaft poses a big challenge to control strategies as the actuator is not connected directly to the end effector, causing propagation effects as well as an energy accumulation and dissipation in the shaft. This thesis focuses the study of one of the most investigated application of this type, the top driven drilling system used in the oil and gas industry. Usually, the drilling system is composed by a top drive linked to the drill bit trough hundreds or even thousands of meters of steel pipes. All kind of vibrations will be found: longitudinal deformations will be associated to the bit bouncing, flexional with rubbing, and torsional with stick-slip effects. A better understanding is only possible when each of these situations is carefully investigated. This thesis focuses on the torsional deformation of the highly flexible string and presents two different models for the drill string, the first is the most common single spring single damper model. The second one is a 20 DOF Lumped parameters that has the advantage of being able to consider the mass of the drill string and propagation of torsional waves in the shaft. The investigation includes the development of a test rig adequate for torsional vibrations under damping that may induce stick-slip in the system. Two control techniques are studied to reduce the torsional vibrations in drill strings with numerical and experimental results presented. The first is a behavior based open loop scheme control, which is very simple and effective to reduce stick-slip oscillations. The second one is the L1 adaptive control that uses a reference model on its structure. 

Tese: Short fatigue cracks departing from elongated notched specimens and their effect on fatigue limit

Aluno(a) : Marco Vinicio Guamán Alarcón
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/05/2017
Local:

Resumo: The mechanical design of structural components for high cycle fatigue applications needs reliable fatigue limits. However, mainly because of notches and the unavoidable presence of small defects, such a task still presents some challenges. Notches cause a stress concentration effect that can initiate short cracks at their tips, but such short cracks may propagate or become non-propagating, depending not only on the load level, but on the stress gradient ahead of the notch tip as well. Notch-like defects, such as scratches, pores, and inclusions, behave in the same way. There are empirical and theoretical models to predict the fatigue limit of notched components. The latter includes the so-called Stress Gradient (SG) model, based on linear elastic fracture mechanics concepts and using the El Haddad-Topper-Smith (ETS) characteristic size aR, as a promissory approach. However, there is a lack of experimental data verifying their fatigue limit predictions. In this context, C(T)-like notched specimens of SAE 1020 steel with several notch root radii were tested under constant load amplitude control at 40 Hz and a stress ratio R equal 0.1, to evaluate their fatigue limit through accelerated tests involving step loading procedures with blocks of 3.10 to sixth power cycles. The experimental fatigue limit was compared with values predicted by SG model, following three approaches: SGc-p, SGs-e, and SGquebra, according to the determination of the geometric factor of the stress concentration factor; and with an alternative prediction by the Point Method based on the theory of critical-distance (TCD). SGc-p, SGquebra and TCD model predictions are almost coincident for blunt notches and they present a good agreement with experimental results, but they are non-conservatives in the case of sharp notches; while SGc-p predictions are conservative for both blunt and sharp notches. Since both models are based on linear elastic concepts, it was demonstrated that an elastic analysis presents limitations to model the behavior of short cracks emanating from sharp notches, due to the local stress at the critical point can exceed the yield strength of the material. Furthermore, according to SG model, the fatigue limit is related to the presence of non-propagating short cracks (NPSC). Such surface NPSCs on the face of the specimens were monitored by non-destructive techniques including optical microscopy, digital image correlation (DIC) and micro-computed tomography; whereas subsurface NPSCs were detected through destructive metallographic technique. The sizes of the detected NPSCs were much smaller than those values predicted by SG model, which in turn makes the detection of these cracks a more complex problem.

Tese: Dinâmica e Controle de Mecanismos Paralelos: Integração Modelo Analítico Fechado, Transdutores Inerciais e Atuadores Elétricos Lineares

Aluno(a) : Allan Nogueira de Albuquerque
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/25/2017
Local:

Resumo: Mecanismos são essencialmente (mas não exclusivamente) compostos por vários corpos rígidos que possuem movimento relativo entre si. Cada corpo rígido está ligado através de uma junta a um ou mais corpos, sendo a sequência de corpos conectados chamada de cadeia cinemática. Cadeias cinemáticas abertas (ou em série) não têm restrições sobre suas extremidades, já cadeias fechadas (ou paralelas) têm restrições em ambas as extremidades. O foco neste trabalho será dado no estudo de mecanismos com cadeias cinemáticas fechadas ou mecanismos paralelos.Assim, este trabalho apresenta a determinação da solução analítica do modelo dinâmico de um mecanismo paralelo plano com três graus de liberdade através da caracterização do fluxo de potência entre os seus componentes. A partir das relações geométricas associadas ao deslocamento dos seus graus de liberdade, as relações cinemáticas associadas às suas velocidades são determinadas. Considerando o fluxo de potência entre os graus de liberdade, e também entre estes e os elementos de atuação (atuadores lineares elétricos), as relações de equilíbrio das forças e torques são obtidas. Levando em consideração os efeitos inerciais dos componentes do sistema, a rigidez e efeitos de amortecimento, as equações de movimento ou as equações de estado são analiticamente determinadas e representadas em qualquer sistema de referência, local ou global. Além disso, a relação entre a cinemática inversa e a dinâmica direta são apresentadas. Esta abordagem adota os mesmos fundamentos, conceitos e elementos da técnica dos grafos de ligação, com a sua notação simbólica e representação gráfica.A metodologia proposta é generalizada e aplicável em qualquer tipo de mecanismo (aberto ou fechado, plano ou espacial). O modelo cinemático inverso do mecanismo de cadeia fechada, que tem uma solução fácil quando comparado com o modelo direto, pode ser desenvolvido por qualquer metodologia conhecida. Neste trabalho, a técnica da cadeia vetorial é usada para determinar o modelo geométrico inverso, e com a sua derivação, as relações cinemáticas são obtidas, e, portanto, a matriz Jacobiana inversa. Desse modo, é construída a estrutura em grafos de ligação da cinemática inversa e, a partir das relações de causa e efeito, encontra-se o modelo dinâmico direto do mecanismo. Assim, esta metodologia (grafos de ligação ou fluxo de potência) é mais eficiente e segura para determinar os modelos dinâmicos analíticos (fechados) de mecanismos paralelos.Um conjunto de simulações foram realizadas para validar esta abordagem, usando os dados reais (geometria, inércia, amortecimento, atuadores forças, etc) a partir de um mecanismo de plano projetado e construído especialmente para a finalidade de comparar os resultados simulados e experimentais. Uma estratégia de controle de malha fechada usando a cinemática inversa e os modelos dinâmicos diretos é proposta. Finalmente, testes experimentais validam esta estratégia. As equações analíticas levam a um processo de simulação e controle em tempo real mais eficientes destes sistemas. 

Tese: Concepção e modelagem de objetos educacionais para compreensão da dinâmica de Motocicletas/Bicicletas em projetos de engenharia

Aluno(a) : Guilherme Nobrega Martins
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/03/2016
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Resumo: A concepção e modelagem de objetos educacionais para compreensão da dinâmica de motocicletas/bicicletas em projetos de engenharia têm nesta tese dois objetivos gerais: o entendimento da dinâmica de veículos de duas rodas de bitola zero e a apresentação de solução para o problema de incompatibilidade, ainda que parcial, do perfil do formando em engenharia quando comparado ao desejado pelo mercado de trabalho. Para cumprir com o primeiro objetivo, este trabalho desenvolve a modelagem de bicicletas e motocicletas utilizando as técnicas de Grafo de Ligação e Fluxo de Potência, para em seguida descrever aparatos educacionais em desenvolvimento no LDSM (Laboratório de Desenvolvimento de Sistemas Mecatrônicos da PUC-Rio) projetados para auxiliar no entendimento desses veículos. No intuito de conseguir responder à questão que envolve o segundo objetivo geral, este trabalho apresenta um breve estudo sobre aprendizagem ativa para então, passando pela análise dos projetos pedagógicos dos cursos de engenharia mecânica e de controle e automação, propor solução para uma melhor formação do engenheiro utilizando a metodologia de aprendizagem ativa, denominada PBL. O autor emprega os conhecimentos obtidos ao alcançar o primeiro objetivo para propor a utilização de projetos criados em torno dos veículos em questão como ferramentas do processo de ensino/aprendizagem. Através de pesquisas bibliográficas e de comparação do alcance e da abrangência entre, por um lado, a organização curricular vigente e, por outro, aquela proposta utilizando a metodologia de aprendizagem ativa, o autor evidencia que esta última cumpre satisfatoriamente com o rigor da formação técnica do engenheiro. Através de pesquisas bibliográficas e experimentação em aula, ele verifica que a nova organização curricular pode ir além e cobrir também as competências não ligadas à formação técnica que a atual organização não consegue contemplar satisfatoriamente, como consciência socioambiental e ética profissional, entre outras. Por fim o trabalho indica novos caminhos a serem seguidos, tanto na modelagem de tais veículos, como no estudo e na utilização da metodologia pesquisada.

Tese: Dinâmica de sistemas pendulares e giroscópicos por atuação interna de controles não lineares

Aluno(a) : Marcelo da Cruz Pereira
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/01/2016
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Resumo: Esta tese apresenta o estudo dinâmico de três sistemas pendulares e de um sistema de corpo livre no espaço com 3 graus de liberdade. O primeiro sistema pendular consiste de um pêndulo acoplado ao centro de uma roda, que rola sem escorregar na direção horizontal, enquanto o segundo, se baseia num pêndulo simples, porém com comprimento variável, que ao mudar seu tamanho consegue ganhar/perder energia para aumentar/diminuir a amplitude de seu movimento e finalmente o terceiro está baseado num pêndulo duplo que, a despeito de restrições impostas ao movimento consegue inserir/retirar energia do sistema de forma similar ao segundo. O modelo de corpo livre no espaço está baseado na suspensão cardânica de um giroscópio e se utiliza de um modelo didático real de um giroscópio para observação das características dinâmicas. A partir destes exemplos estudou-se formas de controle não-linear para movimentar os sistemas de maneira a utilizar-se da mudança de posição interna do centro de massa para injetar e retirar energia dos sistemas. Foram gerados modelos matemáticos simulados no Simulink valendo-se do Matlab para análise, e geradas animações também com o Matlab para melhor observação dos efeitos. Em paralelo, para dois destes sistemas foram construídos em bancada experimentos para comprovação dos resultados numéricos, e os resultados são comparados em cada caso, analisando as diferenças. Ao final, todas as observações sobre os estudos foram analisadas, e comentários feitos baseados nos resultados, além de sugerir trabalhos futuros.

Tese: A deterministic and stochastic analysis of wind turbines

Aluno(a) : João Antonio Pires Alves
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/23/2016
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Resumo:

This thesis presents a dynamic analysis of a three-blade wind turbine with tubular cross section under deterministic and stochastic concentrated and distributed loads, including those caused by wind and by sea currents. Variations in the soil conditions are allowed, being modeled as linear axial and torsional springs installed at the base of the tower. The random loading is due to the action of the wind on the turbine blades. The symmetries involved allow the tower to be modeled as having four separated and superimposed structural behaviors: a beaming spatial (lateral) motion, a shaft (torsional) motion and a bar (axial) motion. Finite elements are used for approximating the dynamic and then a reduced model is constructed using a basis of finite dimension of the structure eigenvectors. The other turbine components, namely, the nacelle, the shaft and the blades are modeled as rigid bodies whose links are imposed by constraint functions. An algorithm based on Newmark method was developed to integrate the system of equations in time. Velocities, accelerations, forces, and torques, as well as the resulting stresses are obtained for several configurations.

Tese: Time Reversal of Acoustoelastic Lamb Waves

Aluno(a) : Alan Conci Kubrusly
Orientador(a): Arthur Braga e Jean Pierre
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/18/2016
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Resumo: The acoustoelasticity studies the variation of the elastic waves velocity in bodies subject to an initial stress state. The acoustoelastic theory consists of non-linear relationship between stress and strain that rules the dynamic response superimposed to the initial pre-deformation. The acoustoelastic theory applied to guided waves is a very new branch of study. The theoretical development of this theory for Lamb waves was completed in 2012, which enabled the calculation of velocity variation as a function of stress. Lamb waves are elastic waves that propagate in plates obeying the boundary conditions on the surface. These waves are a priori dispersive. Finite Element Method (FEM) is an useful tool for ultrasonic waves propagation analysis. In order to address the acoustoelastic effect employing FEM one can use the effective elastic constants. By these effective constants it is possible to assemble an equivalent anisotropic stiffness tensor, which can be the material stiffness input in commercial software. The time reversal process is a well-known method for obtaining focused acoustic waves in both time and space. In the case of Lamb waves, the use of time-reversed signals compensates the dispersion of each propagation mode, recompressing the wave and producing a focused signal at the reception position. In this thesis the new branch of acoustoelasticity for Lamb waves is thoroughly analyzed and its state of the art is reviewed. The possibility of using effective elastic constants for determination of the velocity dependence on stress and the errors in this approximation are investigated. The use of FEM in Ansysr is validated for single mode under uniaxial tensile stress. Then, the simulations of wideband multi-mode acoustoelastic Lamb waves is carried out in the numerical software, the time-reversal focusing ability is verified and the effect of uniaxial load on the focus is investigated. Finally, experiments were performed in an aluminum plate longitudinally loaded. The feasibility of using the time reversal focus characteristics in order to measure the strain is concluded and its limitations are pointed out.

Tese: Modeling and simulation in nonlinear stochastic dynamics of coupled systems and impacts

Aluno(a) : Roberta de Queiroz Lima
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2015
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Resumo: In this Thesis, the robust design with a uncertain model of a vibro-impact eletromechanical system is done. The electromechanical system is composed of a cart, whose motion is excited by a DC motor (motor with continuous current), and an embarked hammer into this cart. The hammer is connected to the cart by a nonlinear spring component and by a linear damper, so that a relative motion exists between them. A linear flexible barrier, placed outside of the cart, constrains the hammer movements. Due to the relative movement between the hammer and the barrier, impacts can occur between these two elements. The developed model of the system takes into account the influence of the DC motor in the dynamic behavior of the system. Some system parameters are uncertain, such as the stiffness and the damping coefficients of the flexible barrier. The objective of the Thesis is to perform an optimization of this electromechanical system with respect to design parameters in order to maximize the impact power under the constraint that the electric power consumed by the DC motor is lower than a maximum value. To chose the design parameters in the optimization problem, a sensitivity analysis was performed in order to define the most sensitive system parameters. The optimization is formulated in the framework of robust design due to the presence of uncertainties in the model. The probability distributions of random variables are constructed using the Maximum Entropy Principle and statistics of the stochastic response of the system are computed using the Monte Carlo method. The set of nonlinear equations are presented, and an adapted time domain solver is developed. The stochastic nonlinear constrained design optimization problem is solved for different levels of uncertainties, and also for the deterministic case. The results are different and this show the importance of the stochastic modeling.

Tese: Um método meshfree adaptativo de advecção para problemas de fluxo bifásico de fluidos incompressiveis e imisciveis em meios poroso heterogêneos tridimencionais

Aluno(a) : Ismael Andrade Pimentel
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/28/2015
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Resumo: Esta tese propõe um método meshfree adaptativo de advecção para problemas de fluxo bifásico de fluidos incompressíveis e imiscíveis em meios porosos heterogêneos tridimensionais. Este método se baseia principalmente na combinação do método Semi-Lagrangeano adaptativo com interpolação local meshfree usando splines poliharmônicas como funções de base radial. O método proposto é uma melhoria e uma extensão do método adaptativo meshfree AMMoC proposto por Iske e Kaser (2005) para modelagem 2D de reservatórios de petróleo. Inicialmente este trabalho propõe um modelo em duas dimensões, contribuindo com uma melhoria significativa no cálculo do Laplaciano, utilizando os métodos meshfree de Hermite e Kansa. Depois, o método é ampliado para três dimensões (3D) e para um meio poroso heterogêneo. O método proposto é testado com o problema de five spot e os resultados são comparados com os obtidos por sistemas bem conhecidos na indústria de petróleo.

Tese: Modeling and uncertainty quantification in the nonlinear stochastic dynamics of horizontal drillstrings

Aluno(a) : Americo Barbosa da Cunha Junior
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/11/2015
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Resumo: Oil prospecting uses an equipment called drillstring to drill the soil until the reservoir level. This equipment is a long column under rotation, composed by a sequence of connected drill-pipes and auxiliary equipment. The dynamics of this column is very complex because, under normal operational conditions, it is subjected to longitudinal, lateral, and torsional vibrations, which presents a nonlinear coupling. Also, this structure is subjected to friction and shocks effects due to the mechanical contacts between the pairs drill-bit/soil and drill-pipes/borehole. This work presents a mechanical-mathematical model to analyze a drillstring in horizontal configuration. This model uses a beam theory which accounts rotatory inertia, shear deformation, and the nonlinear coupling between three mechanisms of vibration. The model equations are discretized using the finite element method. The uncertainties in bit-rock interaction model parameters are taken into account through a parametric probabilistic approach, and the random parameters probability distributions are constructed by means of maximum entropy principle. Numerical simulations are conducted in order to characterize the nonlinear dynamic behavior of the structure, specially, the drill-bit. Dynamical phenomena inherently nonlinear, such as slick-slip and bit-bounce, are observed in the simulations, as well as shocks. A spectral analysis shows, surprisingly, that slick-slip and bit-bounce phenomena result from the lateral vibration mechanism, and that shock phenomena comes from the torsional vibration. Seeking to increase the efficiency of the drilling process, an optimization problem that aims to maximize the rate of penetration of the column into the soil, respecting its structural limits, is proposed and solved.

Tese: Avaliação de previsões de fratura elastoplástica

Aluno(a) : Jorge Arturo Hinostroza Medina
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/09/2014
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Resumo: Neste trabalho apresenta-se uma análise dos principais procedimentos desenvolvidos para calcular a tenacidade à fratura sob condições elastoplásticas. São avaliadas as principais medidas de tenacidade, bem como as diferenças, características, fontes de conservadorismo e as principais referências bibliográficas que relatam diferenças nas metodologias de cálculo para prever as cargas de falha em estruturas com defeito. Também são analisados os principais procedimentos de avaliação da Integridade Estrutural de estruturas com defeito (Fitness For Service, FFS). Testes de tenacidade são feitos variando as condições de restrição em torno da trinca (geometria do CP, tamanho inicial de trinca, entalhe lateral). Foram levantadas as curvas JR para todos os CPs testados, e previsões de carga de fratura são feitas segundo os principais procedimentos FFS, e testes são realizados em placas trincadas centralmente com o objetivo de registrar as cargas de falha do defeito, para compará-las com as previsões dos procedimentos FFS e avaliar o conservadorismo de cada um deles. Como outra contribuição ao trabalho, simulações numéricas dos ensaios de tenacidade são desenvolvidas com o objetivos de reproduzir os testes feitos e calibrar os parâmetros de simulação de rasgamento dúctil em estruturas com defeito.

Tese: Medição de deformações elastoplásticas em regiões de concentração de tensões utilizando métodos sem malha e visão computacional

Aluno(a) : Giancarlo Luis Gómez Gonzáles
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/10/2014
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Resumo: A análise de deformações em torno de regiões de concentração de tensões é uma importante ferramenta na avaliação da integridade estrutural de peças e componentes mecânicos. Todavia, esta análise se torna mais complexa quando o material atinge a plastificação junto ao entalhe. Neste trabalho, uma nova metodologia numérico-experimental para medição de deformações na superfície de um material, combinando métodos sem malha e visão computacional, é apresentada. A parte experimental da técnica é baseada na captura de imagens de um material em estados diferentes de deformação durante um ensaio mecânico. A técnica de visão computacional conhecida como Scale Invariant Feature Tecnique (SIFT) é utilizada aqui para extrair pontos característicos nas imagens capturadas. Para tanto, uma textura aleatória foi pintada na superfície do corpo de prova. Em seguida, os deslocamentos são obtidos experimentalmente, através do seguimento das posições dos pontos SIFT corretamente correspondidos no par de imagens capturadas do ensaio, antes e depois da aplicação da carga. Os pontos fornecidos pelo algoritmo SIFT são selecionados como nós de uma formulação sem malha, e o método de mínimos quadrados móveis é utilizado para gerar uma aproximação numérica do campo de deslocamentos e as suas derivadas. Assim, deformações na região próxima ao entalhe são devidamente quantificadas para posterior análise. Na validação da metodologia proposta, corpos de prova entalhados foram utilizados para estudar o comportamento da deformação plástica nas regiões de concentração de tensões. Os resultados dos testes mostraram boa concordância e precisão quando comparados com soluções analíticas, simulações pelo método dos elementos finitos (ANSYS) e soluções obtidas através de um software comercial de correlação de imagens digitais.

Tese: Desenvolvimento de uma máquina tração-torção de ensaios de fadiga para avaliação de modelos de plasticidade incremental

Aluno(a) : Eleazar Cristian Mejia Sanchez
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/28/2014
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Resumo: A avaliação experimental de modelos de plasticidade incremental e a predição da vida à fadiga sobre cargas combinadas requer o uso de máquinas de testes multiaxiais. Neste trabalho é desenvolvida uma máquina tração-torção (MTT) para avaliar modelos de plasticidade incremental. Este sistema eletromecânico utiliza como atuadores principais dois motores de corrente contínua conectados a caixas de redução para gerar os carregamentos de tração axial e/ou torção. O projeto da MTT compreende a análise de sua integridade estrutural, seu dimensionamento, e o cálculo da vida à fadiga de seus principais componentes; o projeto e desenvolvimento de uma célula tração-torção (LTC - load torque cell); o desenvolvimento e implementação das técnicas de controle; e finalmente sua construção e avaliação. Uma técnica de controle PID por modos deslizantes (PID Sliding Mode control) foi especialmente desenvolvida para esta máquina, consistindo em aplicar um sinal de controle descontínuo que força o sistema a deslizar ao longo de uma superfície de convergência. Esta técnica de controle tem a capacidade de controlar continuamente a força axial e/ou o torque aplicado ao corpo de prova de maneira independente, o que permite gerar histórias de cargas não-proporcionais. Os métodos de controle são implementados em uma plataforma computacional em tempo real CompactRio. Deste modo, é possível gerar uma máquina de ensaios de fadiga multiaxial compacta, de fácil manuseio, que não precise de um sistema de controle complexo, e a um baixo custo. A máquina traçãotorção foi projetada para atender a uma ampla gama de ensaios de fadiga multiaxial, com uma capacidade de força axial máxima de ±200 kN e torque máximo de ±1300 N.m. O desempenho da MTT foi avaliado experimentalmente através de ensaios de plasticidade incremental. Para tanto, foram usados corpos de prova de tração-torção para medir seus comportamentos sobre cargas multiaxiais. Ensaios de encruamento não-proporcional, ratcheting (fluência cíclica) multiaxial e ratcheting uniaxial foram realizados em corpos de prova de aço inox 316, aço 1020, alumínio 7075 e alumínio 6063 na MTT, assim como em uma máquina Instron de 100 kN. Um simulador de plasticidade incremental para carregamentos de tração-torção foi desenvolvido, incorporando o modelo de encruamento cinemático não-linear de Jiang-Sehitoglu, e o modelo incremental de encruamento não-proporcional de Tanaka. Os parâmetros do material foram calibrados a partir de ensaios experimentais, permitindo que as simulações fossem capazes de prever o comportamento do material sobre diferentes histórias de carregamento, assim como as taxas de encruamento não-proporcional e de ratcheting. Os experimentos e simulações confirmaram tanto a adequabilidade da MTT desenvolvida, quanto do simulador de plasticidade incremental implementado, baseado nos modelos nãolineares de Jiang-Sehitoglu e Tanaka.

Tese: Aplicação da técnica DIC a espécimes com diferentes formas, materiais e gradientes de deformação

Aluno(a) : Leonardo Dantas Rodrigues
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2014
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Resumo: A técnica de correlação digital de imagens (Digital Image Correlation, DIC) é uma técnica óptica de campo global que consiste na análise de imagens da superfície de um espécime antes e após seu carregamento para determinação de campos de deslocamentos e deformações. Neste trabalho foram usados um sistema DIC estereoscópico convencional 3D, para aplicações em campos de visão (macro) da ordem de 200mmx200mm, e um sistema DIC estereomicroscópico 3D, para aplicações em áreas tão pequenas quanto 1mm quadrado. Para a análise de deformações em campos com dimensões tão diferentes precisou-se desenvolver uma metodologia para controlar parâmetros da técnica DIC, tais como dimensões de pontos (speckles) impressos no espécime e tamanhos de subsets e steps usados para a correlação das imagens captadas. A seleção dos problemas estruturais para aplicação da técnica levou em conta não só a diversidade destes, como também o pioneirismo das aplicações de DIC a problemas nos quais podem ser gerados resultados que melhor ajudem na compreensão de suas facetas específicas. Assim, a técnica foi aplicada à medição de deformações em tubos com defeitos por suas vantagens de medição de grandes deformações e de visualização de regiões de interesse, sob a forma de campos globais de deformações. Na área de determinações de propriedades mecânicas de materiais compósitos, foram realizadas medições em espécimes não convencionais de resina epóxi reforçados por fibras de carbono ou fibras de vidro para determinação de suas propriedades elásticas. Por fim, foram realizadas medições em um espécime Compact Tension Specimen CTS de aço grau API 5LX60 contendo uma trinca e em espécimes com entalhes profundos (concentrações de tensões) constituídos por materiais distintos (policarbonato e alumínio), para obtenção de campos de deslocamentos e de deformações elastoplásticas. Nestas aplicações os resultados obtidos com a técnica DIC foram comparados com aqueles obtidos com modelos de elementos finitos (EF), com medições com extensômetros de resistência elétrica (strain gages) e com resultados analíticos publicados na literatura. Levando-se em conta as comparações feitas, a grande maioria dos experimentos realizados pode ser considerada satisfatória. Ao longo da tese foram descritas as adaptações, considerações e boas práticas consideradas necessárias para obtenção de bons resultados nas diferentes medições e para os diferentes aparatos experimentais utilizados. Estas recomendações serão bastante úteis para medições futuras ou mesmo para auxiliar na avaliação de confiabilidade de alguns resultados apresentados na literatura especializada.

Tese: Integrity of an offshore structure subjected to waves

Aluno(a) : Victor Fernando Deorsola Sacramento
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/14/2014
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Resumo: This work presents a method for evaluation of the fatigue resistance of a drilling tower considering the sea surface elevation, the dynamics of the platform on which the tower is installed and the dynamics of the tower itself. Reduced order models are used for obtaining the sea surface elevation and the dynamics of the tower, and the uncertainties on the parameters of the components of the system can be included in the analysis as well. The analysis can be done for several sea states, according its probability distribution, and no assumption about the probability distribution of the stress ranges has to be made previously. The histogram for the distribution of stress ranges for the entire working life of the equipment is obtained using a Rainflow technique. The results and the uncertainties on them are discussed.

Tese: A three-dimensional pipe beam finite element for nonlinear analysis of multilayered risers and pipelines

Aluno(a) : Ludimar Lima de Aguiar
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/25/2013
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Resumo: This work addresses the behavior of three-dimensional multilayered pipe beams with interlayer slip condition, under general three-dimensional large displacements, in global riser and pipeline analysis. A new finite element model, considering the Timoshenko beam for each element layer, has been formulated and implemented. It comprises axial, bending and torsional degrees-of-freedom, all varying along the element length according to discretization using Hermitian functions: constant axial and torsional loadings, and linear bending moments. Transverse shear strains due to bending are also considered in the formulation by including two generalized constant degrees-of-freedom. To represent various friction conditions between the element layers, nonlinear contact models are considered. These conditions are accounted in the model through a proper representation of the constitutive relation for the shear stresses behavior in the binding material. Derivations of hydrostatic and hydrodynamic loadings due to internal and external fluid acting on respective element layers are presented. The drag and inertia forces due to external fluid are calculated by using the Morison equation. Mass and damping matrices, associated to each element layer, are properly derived by adding their respective contributions to the expression of the virtual work due to external loading. The FE implementation allows for the numerical representation of either bonded or unbonded multilayered risers, including small slip effects between layers. Effects of the pipe-soil interaction are also addressed in this work with two contact models considering either no or full interaction between friction forces in longitudinal and lateral directions, respectively. The element formulation and its numerical capabilities are evaluated by some numerical testing, which are compared to other numerical or analytical solutions available in the literature. These tests results show that the proposed element provides a simple yet robust and reliable tool for general multilayered piping analyses.

Tese: Detecção e caracterização de danos estruturais através de sensores a rede de Bragg e Redes Neurais Artificiais

Aluno(a) : Daniel Ramos Louzada
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/03/2013
Local:

Resumo: O aumento dos custos relacionados aos processos de manutenção em estruturas como aeronaves, aliadas à crescente demanda das mesmas, alimentam a necessidade de investimentos em técnicas inovadoras de monitoramento estrutural. Dessa forma, o trabalho realizado nesta tese, busca o desenvolvimento de uma técnica de monitoramento ativo, visando o acompanhamento de parâmetros da estrutura analisada, a fim de identificar e caracterizar processos de dano não visíveis, tais como corrosão e delaminação. A metodologia empregada, teve como base a análise dos padrões de deformação superficial, obtidos com o uso de grades de sensores à fibra óptica baseadas em redes de Bragg (FBG). Inicialmente, tais padrões foram provocados por carregamentos estáticos (tração), e posteriormente por atuadores PTZ fixados à estrutura. Estes últimos são submetidos a uma voltagem alternada e frequência fixa. Esta técnica apresenta todas as vantagens dos sensores FBG (massa e dimensões reduzidas, imunidade eletromagnética, elevado poder de multiplexação e alta sensibilidade entre outras), alem de permitir a visualização de alterações nos padrões de deformação, provocados por danos, através da variação da frequência de excitação. Com relação à interpretação dos resultados, a estratégia empregada consistiu em separar o problema de detecção e caracterização dos danos. Dessa forma, a detecção é realizada comparando a energia das deformações superficiais dos corpos de prova nos casos com e sem defeito, enquanto a caracterização é obtida através a utilização de redes neurais artificiais (RNA), por meio de rotinas de reconhecimento de padrões.

Tese: Controle de atitude de um veículo robótico elétrico em fase balística

Aluno(a) : Pedro Ferreira da Costa Blois de Assis
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/14/2013
Local:

Resumo: Controle de estabilidade é uma técnica aplicada para aumentar a segurança em veículos automotivos. Ele compreende não apenas controle de guinada como controle de rolagem, principalmente em veículos altos como caminhões. Uma tendência na indústria automobilística já consagrada em sistemas robóticos de exploração são os veículos elétricos que possuem motores elétricos independentes em cada roda. Sua característica de não emitir qualquer poluente os torna ambientalmente atraentes e, devido à forma de atuação, tendem a ser mecanicamente menos complexos. Os controles de estabilidade atuais visam prevenir que o veículo chegue a uma situação de instabilidade. No entanto, veículos em alta velocidade que encontrem obstáculos nos terrenos podem perder o contato com o solo. Nessa situação, os controles de estabilidade atuais nada podem fazer para garantir um retorno seguro para o terreno. Este trabalho apresenta um algoritmo de detecção de descolamento da roda para identificação do início da fase balística e consequente determinação da ação necessária para aumentar as chances de um retorno seguro ao chão. São usados apenas sensores de corrente e velocidade dos motores para a detecção. O controle por roda de reação é aplicado ao veículo para estabilização durante a fase balística. O algoritmo também é capaz de estimar o torque externo aplicado sobre a roda usando os mesmo sensores utilizados para o controle de torque dos motores, tornando a técnica uma ferramenta sem custos adicionais ao sistema. Os algoritmos de controle e detecção apresentados foram testados experimentalmente e em um simulador desenvolvido para a pesquisa usando o modelo de um veículo robótico de sessenta quilogramas com quatro rodas independentes atuadas por meio de motores elétricos de corrente contínua. Os resultados obtidos mostram o potencial da técnica para futuras aplicações.

Tese: Um esquema de aproximação para superfícies implícitas com redefinição dos pontos da Octree associada

Aluno(a) : Aruquia Barbosa Matos Peixoto
Orientador(a): Marcelo Dreux e Carlos Antonio de Moura
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/19/2013
Local:

Resumo: Neste trabalho é apresentado um método adaptativo de poligonalização de superfícies implícitas, a Grade Adaptativa, associado a uma octree como estrutura de dados. Os pontos da subdivisão dos cubos dessa octree não estão sempre no centro, como na definição clássica, porém mais próximos à superfície. Para obter essa característica, os valores da função são considerados na região de poligonalização. Os pontos da malha que aproximam a superfície são conectados utilizando as arestas dos cubos referentes às folhas dessa octree. As arestas pertencentes à interseção de três ou quatro cubos são testadas com relação a sua intersecção pela superfície. Elas são obtidas por meio de uma redefinição do conceito de Arestas Mínimas. O método apresentado nesta tese conduz a resultados mais precisos que aqueles obtidos com métodos em que a octree tenha sua subdivisão sempre no centro, como o Dual Contouring. O melhor posicionamento da grade torna possível captar mais detalhes com o mesmo nível de subdivisões, pois nesse caso há mais precisão no posicionamento dos vértices da malha e, além disso, mais cubos intersectam a superfície, gerando mais pontos da malha.

Tese: Materiais com Gradação Funcional no Comportamento Dinâmico de Linhas Flexí­veis

Aluno(a) : Juan Carlos Romero Albino
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/07/2011
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Resumo: Neste trabalho um novo elemento de viga co-rotacionado é apresentado para a análise nío-linear geométrica tridimensional, estática e dinâmica, de linhas marítimas de Materiais com Gradação Funcional (MGF). Assume-se que o módulo de elasticidade e a massa específica do material da viga variam ao longo da espessura da seção transversal tubular de acordo com uma lei de potencia. O coeficiente de Poisson do material é mantido constante. Na discretização espacial das equações de equilíbrio, a linha marítima é representada por um elemento de viga de dois nós, com base nas hipóteses do modelo para vigas de Euler-Bernoulli, em que polinômios cúbicos de Hermite sío utilizados na interpolação dos deslocamentos nodais e a cinemática do movimento é descrita através de grandezas referidas a um sistema coordenado local co-rotacionado. Consideram-se nío linearidades geométricas envolvendo grandes deslocamentos e rotações, mas com pequenas deformações. Nas equações de movimento da linha marítima, sío consideradas as seguintes influencias: do peso próprio, do empuxo, dos carregamentos hidrodinâmicos (devidas às ações de ondas, correntes e forças de massa adicional), dos deslocamentos prescritos (junto à fixação da embarcação), da ação de flutuadores e das forças de interação solo-estrutura. A integração temporal das equações de equilíbrio é realizada utilizando-se o algoritmo de discretização HHT (Hilbert-Hughes-Taylor) e a solução numérica obtida com a técnica iterativa de Newton Raphson. A metodologia numérica foi implementada e diversos exemplos sío apresentados e discutidos enfatizando-se as diferenças de comportamento estrutural entre os modelos de viga com MGF e com material homogêneo. Resultados referentes a situações práticas da engenharia offshore sío também tratados nos exemplos.

Tese: Solving an inverse stochastic problem for the estimation of vocal folds control parameters statistics using voice samples

Aluno(a) : Julien Mauprivez
Orientador(a): Rubens Sampaio e Edson Luiz Cataldo Ferreira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/06/2011
Local:

Resumo: A proposta desta tese é resolver um problema estocástico inverso, relacionado a um modelo para produção de voz, usando redes neurais artificiais (RNA). Três parâmetros do modelo sío considerados incertos e variáveis aleatórias sío associadas a eles. A cada variável aleatória é associada uma função densidade de probabilidade, construída usando o Principio de Entropia Máxima. Substituindo os três parâmetros incertos pelas variáveis aleatórias associadas, obtém-se um modelo estocástico. Sua saída é um processo estocástico constituído por realizações de sinais de voz. O problema inverso proposto consiste em mapear as três variáveis aleatórias a partir dos sinais de voz, e, no uso de redes neurais artificiais para construir a solução do modelo inverso correspondente. As entradas da RNA construída sío características extraídas dos sinais de voz e suas saídas sío variáveis aleatórias. As funções densidade de probabilidade dessas três saídas aleatórias sío entío estimadas e comparadas às originais. Dois tipos de problemas sío abordados. Primeiro, a mesma distribuição de probabilidade é usada para gerar amostras de sinais de voz e para resolver o problema estocástico inverso correspondente. Neste caso, as funções densidade de probabilidade verdadeiras se adequam muito bem às simuladas. Em seguida, distribuições de probabilidade diferentes sío usadas para gerar as amostras de sinais de voz usadas para treinar a RNA e para resolver o problema inverso correspondente. Uma agradável surpresa surge: a qualidade da estimação fica quase a mesma, exceto para uma das variáveis aleatórias.

Tese: Compressão de dados Sí­smicos Volumétricos utilizando a Transformada Wavelet 3D

Aluno(a) : Mauricio Kreczmarsky Guimarães Meinicke
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/22/2011
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Resumo: A melhoria nas técnicas de obtenção de dados sísmicos fez com que estes dados sejam da ordem de até terabytes, o que gera um grande problema no armazenamento e transmissão dos mesmos. No que se refere ao problema de armazenamento em disco, apesar da queda no preço do disco rígido, o avanço das técnicas de obtenção do dado sísmico e o barateamento destas técnicas de obtenção do dado fazem com que a demanda por espaço em disco cresça mais rápido do que a queda no preço do hardware. Outro fator importante é a limitação de espaço físico para armazenar todos os discos rígidos de forma a garantir a segurança da informação destes discos. Este trabalho tem como objetivo apresentar uma nova técnica de compactação para dados sísmicos utilizando a transformada wavelet 3D. É feito um comparativo com as técnicas de compressão atuais, que utilizam a transformada 2D.

Tese: Sistema de Acompanhamento de Alvos Montado em um Corpo em Movimento

Aluno(a) : Maurí­cio Gruzman
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/12/2011
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Resumo: Neste trabalho estuda-se um sistema de acompanhamento de alvos, também conhecido como sistema de rastreamento de alvos, do tipo pan-tilt atuado por motores de corrente contínua e fixo em um corpo em movimento. Para tanto é montada uma bancada de testes e implementa-se um programa de simulação. A modelagem para o programa é feita no domínio do tempo, permitindo a utilização de equações bastante complexas para representar o sistema, o que não é possível quando se utiliza modelos no domínio da freqüência. Apesar de se modelar o sistema com corpos rígidos, flexibilidades e amortecimentos estruturais devido aos redutores de velocidade são considerados. Erros nos sensores, folgas nos redutores, atritos seco e viscoso, limites de saturação para as correntes e tensões nas armaduras dos motores também são considerados. Um método para a inclusão dos atrasos de tempo para atualização dos sinais de controle e dados obtidos pelos sensores durante a integração numérica das equações de movimento é apresentado. Para controlar o sistema utilizam-se controladores que não requerem o modelo matemático da planta, tanto na bancada de testes como no programa de simulação. Três tipos diferentes de arquitetura de controle são propostas, chamadas neste trabalho de tipo 1, tipo 2 e tipo 3. A complexidade delas aumenta à medida que mais sensores estão disponíveis no sistema. A arquitetura do tipo 1 destina-se a sistemas onde se possui apenas sensores que fornecem os erros angulares de azimute e elevação do alvo. Se, além deste sensor, também houver sensores para medir as posições angulares relativas entre os elos do mecanismo usa-se a arquitetura do tipo 2. Se houver, ainda, sensores de velocidades angulares inerciais pode-se utilizar a arquitetura do tipo 3. Por fim são apresentados resultados de experimentos e simulações onde se compara o desempenho do sistema com cada tipo de arquitetura de controle.

Tese: Influência da Metodologia de Medição das Propriedades Mecânicas Dinâmicas na Previsibilidade do Comportamento de Estruturas Sujeitas a Impactos Elastoplásticos

Aluno(a) : Marcelo de Jesus Rodrigues da Nóbrega
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/20/2010
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Resumo: Efeitos da taxa de deformação nas propriedades mecânicas podem ser significativos na simulação do comportamento dinâmico de estruturas deformadas plasticamente, e o objetivo deste trabalho é avaliá-los através de duas tarefas complementares: (i) desenvolver e qualificar uma metodologia apropriada para a medição de propriedades mecânicas dinâmicas, incluindo os requisitos necessários para medir e ajustar da melhor forma possível os dados experimentais, quantificando a incerteza a eles associada; e (ii) verificar a influência da estratégia de medição das propriedades mecânicas na previsibilidade do comportamento de estruturas sujeitas a impactos. Os modelos que descrevem o comportamento mecânico dinâmico são baseados na taxa de deformação de/dt, mas freqüentemente seus parâmetros são medidos em testes controlados pela velocidade do carregamento. Todavia, a taxa de/dt não permanece constante nos testes feitos sob velocidade fixa, o que aumenta a incerteza das previsões baseadas nos parâmetros assim medidos. Para avaliar quantitativamente a influência das estratégias de controle nas propriedades mecânicas, primeiro foi estabelecido um procedimento estatístico apropriado para determinar o número de corpos de prova necessários para medir propriedades dinâmicas dentro de um nível de confiança desejado. Todos os dados foram medidos em duplicata, controlando as taxas de deformação ou a velocidade de carregamento imposta nos corpos de prova, numa larga faixa, 10(-4) < de/dt < 102/s, em testes particularmente feitos com cuidado. A aquisição e tratamento dos dados foram feitos através de um programa desenvolvido em Labview. Um programa desenvolvido em Mathcad foi usado para otimizar os parâmetros dos diversos modelos estudados ao conjunto de dados medidos via um algoritmo Levenberg–Marquardt. A partir deste estudo é proposto um novo modelo que descreve adequadamente o patamar de escoamento, e minimiza os erros de ajuste na região de transição elastoplástica, de grande importância na análise estrutural. Um pórtico simples foi escolhido para verificar o efeito das propriedades dinâmicas nas simulações numéricas feitas no programa LS-DYNA, tradicionalmente usado para modelar impactos elastoplásticos. Vários destes pórticos foram submetidos a impactos numa máquina de queda livre (drop-weight), para induzir deformações plásticas variáveis em função das velocidades de impacto. As deformações medidas foram comparadas com as previstas usando as propriedades obtidas sob as duas estratégias de controle, e ajustadas pelos diversos modelos estudados. Desta forma pode-se finalmente quantificar a influência da metodologia de medição das propriedades mecânicas dinâmicas na previsibilidade do comportamento de estruturas sujeitas a impactos elastoplásticos.

Tese: Desenvolvimento de um sensor de campo magnético baseado em fibras ópticas para a monitoração em hidrogeradores

Aluno(a) : Sully Milena Mejia Quintero
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/27/2010
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Resumo: Esta tese trata do desenvolvimento de sensores para a monitoração do fluxo de campo magnético utilizando fibras ópticas. A principal motivação reside no uso destes sensores no monitoramento da condição de hidrogeradores. Duas tecnologias de sensoriamento com fibras ópticas sío exploradas. A primeira baseia-se no uso de redes de Bragg e a segunda no emprego de interferômetros modais em fibras ópticas microestruturadas que apresentam alta birefringência. Em ambos os casos as fibras sío recobertas por uma camada de material compósito magnetoestrictivo, que responde ao campo magnético deformando-se. Esta deformação é transferida para a rede de Bragg ou para a fibra microestruturada, produzindo uma resposta dependente do campo magnético. Os sensores desenvolvidos sío leves e compactos. O sensor baseado em redes de Bragg, de formato cilíndrico com 1,5 mm de diâmetro e 7 mm de comprimento, passou por testes estáticos em campos magnéticos de até 750 mT tendo apresentado uma resolução de 0,3 mT. Testes dinâmicos foram realizados em um rotor de bancada desbalanceado e os resultados obtidos comparados com os fornecidos por um sensor magnético de efeito Hall mostrando excelente concordância. O sensor a fibra óptica interferométrico foi caracterizado estaticamente, tendo apresentado uma sensibilidade ao campo magnético duas vezes superior à do sensor baseado em redes de Bragg.

Tese: Avaliação de modelos de comportamento de reparos do tipo luva em dutos com defeitos de perda de espessura

Aluno(a) : Marco Antonio Perez Rosas
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/31/2010
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Resumo: Devido ao seu alto custo e à sua importância estratégica, a busca por soluções que estendam a vida útil das redes dutoviárias é plenamente justificável. Uma vez detectado um defeito, procura-se restabelecer sua capacidade operacional, reparando a seção danificada. A maioria dos estudos está orientada a determinar o comportamento de um duto reparado utilizando técnicas numéricas e/ou experimentais. Outros apresentam equações simples para o cálculo da espessura de reparo tentando garantir a segurança na operação, porém sem demonstrar o comportamento do mesmo. Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia analítica para determinação do comportamento de dutos reparados por luvas metálicas coladas ou de material compósito. Esta metodologia permite também conhecer as pressões que ocasionarío o escoamento e falha, seja no duto ou no reparo. Acredita-se que com a utilização desta metodologia o projeto de um reparo será mais eficiente, permitindo escolher melhor o material e a espessura de reparo, segundo as exigências de cada projeto. Sío apresentados resultados de simulações numéricas com o propósito de conhecer o comportamento, otimizar o dimensionamento e avaliar os resultados obtidos analiticamente para estes tipos de reparos. Por fim, é apresentado um estudo de caso, resultados de testes experimentais e um exemplo de aplicação para a determinação da espessura de reparo. Com isto foi possível conhecer os comportamentos nío estudados numericamente, e mostrou-se que, o controle das deformações no defeito dependerá do módulo de elasticidade e da espessura do reparo, como era esperado

Tese: Movimento de rotação sem restrição de um corpo rí­gido

Aluno(a) : Danny Hernán Zambrano Carrera
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/13/2010
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Resumo: Um problema bem conhecido da Mecânica Clássica consiste no estudo do movimento de um corpo no espaço, especialmente quando o problema é conservativo e livre de forças. Este trabalho utiliza ferramentas modernas da Dinâmica para interpretar os movimentos com grande amplitude, ultrapassando os limites de estabilidade obtidos pelo conceito de Lyapunov. O problema da singularidade numérica que ocorre utilizando-se ângulos de Cardan pode ser eliminado com a descrição por quatérnios. A versatilidade dos quatérnios na Dinâmica é discutida, assim como a dificuldade do estudo do movimento próximo aos pontos de singularidade usando ângulos cardânicos. Enfatiza-se a influência dos momentos principais de inércia na estabilidade do movimento. Obtém-se um valor numérico da energia cinética mínima necessária para que o movimento atravesse o limite de estabilidade. O giroscópio Magnus é um instrumento educacional muito conveniente no estudo do movimento de um corpo livre no espaço. O rotor desse giroscópio representa um corpo em uma suspensío cardânica com anel externo e interno, o que dá ao corpo a liberdade de movimento necessária. Desenvolve-se nesta tese o modelo matemático de um corpo em suspensío cardânica, incluindo-se o atrito existente entre os componentes do sistema mecânico (além de considerar as inércias do rotor e dos anéis ou quadros). O problema da singularidade na descrição com rotações seqüenciais que existe no caso de um corpo no espaço, é eliminado quando se considera a inércia dos quadros. Estuda-se o comportamento do giroscópio ao longo do tempo, sem outras restrições, considerando a perda de energia cinética devido ao atrito. Avalia-se também como a mudança dos momentos de inércia influencia a estabilidade do movimento do sistema.

Tese: Acoplamento de Estados Limites na Avaliação da Confiabilidade Estrutural de Dutos e Estruturas

Aluno(a) : José de Jesús Leal Carvajalino
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/29/2010
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Resumo: Neste trabalho são apresentados conceitos usados na avaliação da confiabilidade estrutural com o objetivo de calcular a probabilidade de falha de uma estrutura enquanto ela atende aos fins para os quais foi projetada durante sua vida útil. Uma metodologia de análise de confiabilidade estrutural foi desenvolvida, tendo como foco os dutos de transporte de óleo e gás natural, embora possa ser aplicada a diferentes equipamentos. A metodologia permite o acoplamento de diferentes eventos que possam ocorrer na vida de uma estrutura. Entende-se por eventos a aparição de defeitos por diferentes vias: processos corrosivos, danos por terceiros, operações incorretas, etc., ou, eventos relacionados à inspeção da estrutura, duto ou equipamento. Cada evento é descrito por uma função de estado limite do tipo capacidade x demanda. O acoplamento desses estados limites é dado pela uniío ou interseção deles (sistemas em série, paralelo, ou combinação deles). A análise é reduzida ao cálculo da confiabilidade de um sistema, cuja solução é feita usando a função padrío multinormal e os métodos de primeira ordem FORM, para o cálculo da probabilidade de falha de cada estado limite, e os métodos do produto das probabilidades condicionais PCM e I-PCM, para o cálculo da probabilidade de falha do sistema através da integral multinormal. As informações obtidas dos resultados desta metodologia podem ser úteis na geração de planos de inspeção, análises preditivas e análises de risco, para contribuir na tomada de decisões sobre prazos e técnicas de inspeção a serem empregadas. A metodologia mencionada acima pode ser implementada em um programa de gerenciamento de confiabilidade estrutural, o qual deve ser capaz de acoplar todos os eventos, os dados conhecidos, as incertezas próprias dos dados e as novas informações ao longo da vida útil de uma estrutura.

Tese: Análise numérica da dinâmica não-linear de uma coluna de perfuração com modelagem de incerteza

Aluno(a) : Thiago Gamboa Ritto
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/15/2010
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Resumo: Essa tese analisa a dinâmica nío-linear de uma coluna de perfuração de petróleo incluindo a modelagem de incertezas. Uma coluna de perfuração é uma estrutura flexível esbelta que penetra rocha em busca de petróleo. Um modelo matemático-mecânico é desenvolvido para esta estrutura; este modelo inclui, por exemplo, interação fluido-estrutura, impactos, nío-linearidades geométricas e interação broca-rocha. Após a dedução das equações de movimento, o sistema é discretizado usando o método dos Elementos Finitos, e um código computacional é desenvolvido para as simulações numéricas usando o MATLAB. Os modos normais do sistema dinâmico na configuração pré-tensionada sío usados para construir um modelo reduzido do sistema. Para modelar as incertezas, a abordagem probabilística nío-paramétrica, que é capaz de levar em consideração tanto incertezas nos parâmetros dos sistema quanto incertezas no modelo, é usada. A função densidade de probabilidade relaciona às variáveis aleatórias do problema sío construidas usando o Princípio da Entropia Máxima e a resposta aleatória do sistema é calculada usando o método de Monte Carlo. Uma maneira nova de levar em consideracío incertezas no modelo de uma equação constitutiva nío linear (interação broca-rocha) é desenvolvida usando a abordagem probabilística nío-paramétrica. Para identificar o modelo probabilístico do modelo de interação broca-rocha, o método da Verossimilhança Máxima junto com a redução estatística no domínio da frequência (usando a análise das Componentes Principais) é empregado. Finalmente, um problema de otimização robusto é resolvido para encontrar os parâmetros operacionais do sistema que maximizam o seu desempenho, respeitando os limites de integridade, como fadiga e instabilidade.

Tese: Investigação Experimental e Análise Numérica do Fenômeno de Vibro-Impacto

Aluno(a) : Romulo Reis Aguiar
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/29/2010
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Resumo: Existem aplicações técnicas onde o principal elemento de um sistema mecânico está sujeito a um padrão de vibração. Um exemplo se encontra na perfuração de poços de petróleo em rochas duras utilizando brocas tricônicas, uma vez que esse tipo de interação broca/ rocha impõe uma vibração longitudinal à estrutura. É possível utilizar parte desta energia para excitar um martelo, uma subestrutura do sistema principal capaz de gerar impactos. A onda de tensão gerada pelo impacto pode ser útil para remover o sistema de uma condição de stick (stick-slip) ou ajudar na propagação de trincas no material a ser perfurado. A perfuração de rochas duras ainda é um grande desao para as empresas de perfuração e exploração de petróleo. Neste contexto, uma forma de conseguir maior eciência da coluna de perfuração é combinando a perfuração rotativa convencional com um dispositivo de vibro-impacto. A tarefa de desenvolver um martelo embarcado na coluna de perfuração e que impacta sobre a broca ainda é uma sugestão a ser implementada. O propósito deste trabalho é a investigação experimental e a modelagem matemática do comportamento da força de impacto num sistema de vibro-impacto embarcado. Mudando a rigidez do martelo e a folga é possível investigar o comportamento do sistema sob diferentes freqüências de excitação. É apresentada uma metodologia para a integração numérica de equações diferenciais descontínuas. Este trabalho também estuda a modelagem da força de impacto, investigando qual modelo matemático disponível na literatura melhor representa os dados experimentais. Os resultados experimentais serão usados para validar o modelo matemático, através do qual o sistema será estudado em maior detalhe. Uma análise não-linear é realizada (diagramas de bifurcação, mapas de Poincaré e mapas de Peterka). Finalmente, este trabalho mostra uma aplicação prática deste sistema de vibro-impacto, onde um sistema massa-mola é montado a uma bancada experimental de perfuração. Resultados experimentais mostram que a aplicação da força de impacto durante a perfuração aumenta a taxa de penetração.

Tese: Um Sistema para Geração de Modelos Parametrizados em Projetos de Estruturas Flutuantes

Aluno(a) : Ruben Gómez Diaz
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/01/2009
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Resumo: Este trabalho situa-se numa das linhas de pesquisa do Tecgraf/PUC-Rio de projeto de unidades flutuantes tais como, navios e plataformas semi-submersíveis. Nesta linha de pesquisa estío sendo desenvolvidos os programas gráficos MG (Mesh Generator) e o Sstab. O primeiro programa é um modelador geométrico por meio de seções transversais e gerador de malhas para modelos de elementos finitos e analises de estabilidade de estruturas flutuantes. O segundo programa é utilizado para a analise e projeto de estabilidade estática do modelo. A estabilidade de unidades flutuantes é um critério fundamental em um projeto naval, e para isto é necessário garantir uma ótima modelagem geométrica (curvas, balizas, superfícies, volume, etc) da unidade em questío para logo poder se proceder com as simulações de análises estáticas do modelo. Devido à enorme complexidade em descrever e/ou modelar uma estrutura flutuante, o principal objetivo deste trabalho é o de dispor um mecanismo de modelagem automática. Esta abordagem é feita utilizando a linguagem Lua, onde é possível disponibilizar um histórico do processo de modelagem como um todo (geração de scripts), definir um conjunto de variáveis que possam ser utilizados como parâmetros de entrada para as dimensões de um modelo, etc. Pode-se mencionar ainda o desenvolvimento de algumas ferramentas auxiliares que facilitam a modelagem de uma estrutura flutuante pois permitem verificar a consistência topológica de uma malha, gerar uma subdivisío gradativa das curvas cortadas e simplificar as novas malhas geradas. É possível também detectar se o modelo possui simetria num determinado plano e realizar cortes do modelo final para diferentes calados de forma automática.

Tese: Modelagem e integração dos mecanismos de suspensão e direção de veículos terrestres através do fluxo de potência

Aluno(a) : Ricardo Teixeira da Costa Neto
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/30/2008
Local:

Resumo: A sub-divisão de um veículo em módulos é muito útil quando se quer estudar o comportamento dinâmico de um determinado subsistema e sua influência nos demais componentes. Em alguns casos, devido ao tipo de tratamento empregado para descrever os elementos, não se consegue perceber de que modo as variáveis inerentes a um subsistema interagem com as demais, e, por conseguinte, os subsistemas entre si. A abordagem modular baseada no fluxo de potência permite uma melhor identificação das relações de causa e efeito entre subsistemas, uma vez que se pode definir, de forma clara e consistente, quem são as variáveis de entrada e de saída de cada componente ou módulo, e, conseqüentemente, seus acoplamentos. Neste tipo de tratamento, aplicado aos sistemas mecânicos, uma vez estabelecida a cinemática de um subsistema, podese obter as relações entre os esforços que seus componentes produzem uns sobre os outros, a partir da caracterização da potência transmitida através dos seus diversos elementos. Este trabalho apresenta um procedimento semi-analítico de equacionamento modular aplicado à modelagem e integração dos sistemas de suspensão e direção de veículos terrestres, no qual as variáveis de entrada e saída indicam o fluxo de potência entre os elementos de todo o sistema. Tal abordagem tem como base a técnica dos Grafos de Ligação, empregada em sistemas multidomínio em geral, e usa alguns conceitos da metodologia dos Transformadores Cinemáticos, normalmente aplicada aos sistemas multicorpos. A partir da definição da geometria dos mecanismos em questão, encontram-se as matrizes que representam os vínculos cinemáticos entre seus elementos, das quais o funcionamento dos sistemas integrados pode ser simulado e analisado, e informações necessárias aos seus projetos determinadas. As equações (malhas) algébricas que existem em mecanismos com estrutura cinemática fechada são analiticamente resolvidas, evitando deste modo modelos matemáticos com equações diferenciais e algébricas simultâneas. Das relações cinemáticas, o modelo dinâmico (matrizes de inércia, rigidez e amortecimento, etc) é obtido, e novamente informações essenciais à análise e síntese dos sistemas podem ser determinadas. O comportamento no tempo desses modelos pode ser encontrado por um método de integração de equações diferenciais qualquer. Adota-se o Simulink/MatLab® para representar o modelo assim desenvolvido em diagrama de blocos, e conseqüentemente simulá-lo. Através deste tratamento, cada bloco da implementaçao em Simulink/MatLab® contém o correspondente modelo analítico de um único módulo, cujo estabelecimento depende das características dinâmicas do sistema que se deseja analisar. A vantagem de adotar tal representação, baseada no fluxo de potência, consiste no fato de que um módulo pode ser substituído por outro, descritivo de um elemento ou subsistema com a mesma função, porém com configuração física distinta, e, conseqüentemente, modelo matemático específico, sem qualquer alteração nos demais componentes do sistema. Este procedimento está sendo adotado para modelagem dos diversos sistemas veiculares, como os de suspensão, direção, transmissão e freios, e também os pneus, inseridos em um chassi, incluindo os graus de liberdade desejados do veículo, todos descritos de forma modular semi- analítica através da mesma abordagem, empregando a técnica de modelagem mais apropriada para representá-los.

Tese: Dinâmica de Estruturas Unidimensionais Esbeltas Utilizando o Contí­nuo de Cosserat

Aluno(a) : Fredy Jonel Coral Alamo
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/18/2006
Local:

Resumo: Neste trabalho é formulado e analisado o equilíbrio estático e a dinâmica de uma viga elástica tridimensional. A teoria tridimensional empregada, que pode ser chamada de teoria de Cosserat para vigas, é exata geometricamente, ou seja, nío está baseada em aproximações geométricas ou suposições mecânicas. Para a deformação da viga, assume-se a hipótese de Bernoulli e por simplicidade consideram-se relações constitutivas lineares para o material. A configuração deformada da viga é descrita através do vetor de deslocamento da curva de centróides, e uma base móvel, rigidamente unido à secção transversal da viga. A orientação da base móvel, relativo a um sistema inercial, é parametrizada usando três rotações elementares consecutivas. Na teoria de Cosserat para vigas, as equações do movimento sío equações diferenciais parciais nío-lineares em função do tempo e uma variável espacial. No entanto, para o equilíbrio estático, as equações tornam-se equações diferenciais ordinárias nío-lineares com uma variável espacial que sío resolvidas usando o método de perturbação. Da solução do equilíbrio estático, obtêm-se as funções de deslocamento da viga, em função dos deslocamentos e rotações nodais, as quais sío usadas para a análise dinâmica. Para obter a dinâmica da viga usa-se a equação de Lagrange, que é formada pelas expressões da energia cinética e da energia potencial de deformação. Além disso, usa-se o método de Newmark para resolver as equações do movimento. Como aplicação, estuda-se numérica e experimentalmente, a dinâmica de uma viga rotativa curva contida numa cavidade uniforme. Quando se usa a teoria de Cosserat para vigas, que leva em conta as nío linearidades geométricas, a alta precisío da resposta dinâmica é obtida dividindo o sistema em poucos elementos, as quais sío bem menores que o tradicional MEF, essa é a principal vantagem da teoria desenvolvida.

Tese: Desenvolvimento de Transdutores a Fibra Optica para Completação Inteligente de Poços

Aluno(a) : Roberth Waldo Angulo Llerena
Orientador(a): Arthur Braga e Luiz Carlos Guedes Valente
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/06/2004
Local:

Resumo: O setor de petróleo e gás apresenta diversas oportunidades de aplicação para os sensores a fibra óptica. Algumas características inerentes às fibras ópticas, como baixo peso, flexibilidade, longa distância de transmissão, baixa reatividade do material, isolamento elétrico, imunidade eletromagnética e alta capacidade de multiplexação, podem ser determinantes em diversas situações, seja nos segmentos de exploração, transporte, refino ou distribuição. As principais operadoras internacionais do setor identificaram a tecnologia de Sensores a Fibra Óptica como elemento chave para viabilizar, com toda a funcionalidade esperada, a instalação de sistemas de completação inteligente de poços de petróleo (produção ou injeção). O sensoriamento do poço permite obter, a qualquer momento, informações precisas sobre diversas grandezas, entre outras a pressão, temperatura, vazão, pH ou mesmo a posição de válvulas que controlam o fluxo através do poço. A monitoração em tempo real do poço é parte da estratégia de automação do processo de produção do campo de petróleo. Esta é uma tendência que no futuro próximo aponta para a exploração de campos de petróleo inteligentes, onde a produção por vários poços de um mesmo reservatório realizase de forma otimizada e automatizada, reduzindo custos, e aumentando fatores de recuperação das reservas de hidrocarbonetos fósseis. O presente trabalho se insere neste contexto, e apresenta a concepção, desenvolvimento e resultados de testes de dois protótipos de transdutores de fundo do poço para integrar um sistema de completação inteligente baseado na tecnologia de sensoriamento utilizando redes de Bragg em fibras ópticas. O primeiro deles destina-se à medida da pressão diferencial num sensor de vazão do tipo Venturi. Resultados de testes com protótipos do transdutor demonstraram que ele pode operar numa faixa de mais ou menos 5 bar de pressão diferencial, sob pressões médias de até 21 MPa e temperaturas de 90 graus Celsius com resolução de 0,06 por cento do fundo de escala. O segundo transdutor desenvolvido, aplica-se à medida da posição de abertura e fechamento de uma válvula controladora de fluxo tipo camisa deslizante (sliding sleeves). Duas técnicas foram investigadas. A primeira delas, para aplicações mais gerais, baseia-se no uso de atuadores magnetoestrictivos. A segunda procurou atender a um projeto específico para este tipo de válvula, em cuja concepção utiliza-se uma mola elástica para exercer a força de restituição contra um atuador hidráulico. Neste caso, optou-se por desenvolver uma célula de carga instrumentada com redes de Bragg. Nos testes realizados foram obtidos resultados satisfatórios em termos de sensibilidade e resolução, tendo-se chegado para esta última a valores próximos de 0,03 mm num curso de 70 mm (0,04 por cento do fundo de escala).

Tese: Controle de Impacto em Manipuladores Robóticos

Aluno(a) : Carlos Eduardo Ingar Valer
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/25/2004
Local:

Resumo: Neste trabalho é abordado o problema do controle durante o período de transição de contato em manipuladores robóticos. Tipicamente é o controlador de força que deve lidar com o fenômeno transiente, no entanto esses controladores sío projetados sob a hipótese de contato permanente do manipulador com o meio e portanto nío estío preparados para lidar com o fenômeno altamente nío-linear que representam os impactos e as perdas de contato. No trabalho, inicialmente é feita uma análise do desempenho e estabilidade dos controladores de força convencionais quando operam em presença de impacto e perdas de contato inesperadas. Essa análise é baseada em modelos simplificados de um manipulador rígido e outro flexível. É mostrado que o impacto nío origina instabilidade dinâmica, mas pode deteriorar severamente o desempenho do sistema. Posteriormente é desenvolvido o modelo dinâmico de um manipulador de dois elos rígido-flexível onde considera-se pastilhas piezoelétricas coladas ao longo da superfície flexível e também sío estudados os modelos de contato. Estes modelos sío usados para provar a efetividade de três novos controladores de impacto propostos neste trabalho e que sío projetados especificamente para lidar com o fenômeno transiente de maneira satisfatória. A idéia do primeiro controlador é a identificação on-line da posição do meio de trabalho após o primeiro impacto, a qual será usada projetar uma nova trajetória que permita atingir a superfície do meio com velocidade mínima, evitando assim os próximos impactos. O projeto deste controlador é feito usando a teoria de controle ótimo. O segundo controlador usa a idéia da linearização do movimento do manipulador flexível em torno ao movimento de um manipulador rígido. Esta linearização é usada para projetar um controlador de posição de alta precisío evitando ou diminuindo assim a severidade do impacto inicial. O terceiro controlador usa a idéia do controle estrutural através das pastilhas piezoelétricas coladas ao longo da parte flexível do manipulador. O projeto deste controlador é otimizado através de um algoritmo de programação nío-linear e a estabilidade em presença de dinâmica residual é garantida.

Tese: Acelerômetro Triaxial a Redes de Bragg

Aluno(a) : Sérgio Ricardo Kokay Morikawa
Orientador(a): Arthur Braga e Luis Guedes Valente
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/31/2004
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Resumo: Desde o final da década de 80 a indústria de fibras óticas têm passado por avanços consideráveis. Através de técnicas controladas, as fibras ópticas podem gerar sinais associados a uma vasta gama de grandezas físicas funcionando como sensores denominados de Sensores a Fibra Óptica (SFO s). Diversas técnicas podem ser empregadas para tal, e entre as existentes a baseada em redes de Bragg é a que mais tem se destacado. O interesse por transdutores empregando esta técnica se justifica pelas vantagens proporcionadas pelo uso da luz, tais como sua capacidade de multiplexação, boa relação sinal/ruído, medições a longas distâncias, imunidade a campos eletromagnéticos, ausência de faísca, entre outras. Neste trabalho buscou-se desenvolver um transdutor e uma técnica de medição baseada em sensores a rede de Bragg para medição de vibrações mecânicas. Um acelerômetro óptico triaxial é projetado e construído. Diferentes modelos foram testados em busca das características de desempenho desejadas. Simulações numéricas empregando o método dos elementos finitos auxiliaram na decisão por melhores desenhos para o transdutor. Resultados de testes experimentais e calibrações empregando um sistema de aquisição de sinais desenvolvido são mostrados. Medições de longa duração para avaliação de estabilidade do sistema e efeitos de temperatura também são apresentados.

Tese: Análise da Técnica de Demodulação Baseada em Filtros Fixos na Interrogação de Sensores a Rede de Bragg em Fibras Ópticas

Aluno(a) : Luiz Carlos da Silva Nunes
Orientador(a): Arthur Braga e Luiz Carlos Guedes Valente
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/25/2004
Local:

Resumo: A análise da técnica de demodulação usada para interrogar sensores a rede de Bragg em fibras ópticas baseadas em filtros fixos foi realizada teoricamente e experimentalmente. Diferentes configurações de sistemas foram analisadas modificando a posição espectral dos filtros, assim como, os níveis de potência óptica obtidos nos fotodetectores. Foram realizadas medidas com o tempo de integração que variavam de 0.01 a 1s e estimado o limite de baixa freqüência. Comparação entre os resultados experimentais e simulados mostram boa concordância, e extrapolações indicam que seria possível chegar a uma faixa de medida da ordem de 7 nanômetros, com incertezas equivalentes menores que 2 picometros, na medida da posição de pico do sensor. Foi feita uma análise da possibilidade de utilização desta técnica para medida simultânea de pressío e temperatura com uma única rede sensora. Na realização experimental foi usado um transdutor de pressío que transferia uma força transversal à fibra, proporcional à pressío atuante, gerando birrefringência na regiío da rede de Bragg. Foi possível obter valores de pressío com a faixa dinâmica de 400 psi com incerteza máxima de 4 psi e simultaneamente temperaturas com variação de 28 a 50oC com incerteza máxima de 0.1oC. Adicionalmente, foram estudados os efeitos gerados numa multiplexação temporal (TDM) de sensores a rede de Bragg quando os sensores se encontram superpostos na mesma posição espectral. Nesta análise é confrontada a técnica de demodulação utilizando dois filtros fixos com a técnica baseada na posição espectral. Os resultados indicam que a técnica baseada em filtros fixos apresenta vantagem, permitindo um número significativamente maior de sensores. E também, foi analisado o distúrbio provocado no espectro da rede sensora quando a fonte de luz usada para interrogar a rede, tem uma modulação espectral que varia com a temperatura. Finalmente, foi apresentado um sistema de multiplexação (TDM/WDM), completamente polarizado, capaz de interrogar dezenas de sensores a rede de Bragg escrito em fibras de alta birrefringência. O sistema de multiplexação consistiu numa chave óptica integrada, baseada num interferômetro de Mach-Zehnder com configuração X-Y, e num espectrômetro CCD.

Tese: Modelagem do Comportamento Termomecânico das Ligas com Memória de Forma

Aluno(a) : Alberto Paiva
Orientador(a): Arthur Braga e Marcelo Savi
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/20/2004
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Resumo: O estudo de materiais inteligentes tem instigado várias aplicações nas mais diversas áreas do conhecimento (da área médica à industria aeroespacial). Os materiais mais utilizados em estruturas inteligentes são as ligas com memória de forma, as cerâmicas piezoelétricas, os materiais magneto-estrictivos e os fluidos eletro- reológicos. Nas últimas décadas, as ligas com memória de forma vêm recebendo atenção especial, sendo utilizadas principalmente como sensores ou atuadores. Existe uma gama de fenômenos associados a estas ligas que podem ser explorados. Visando uma análise mais precisa do comportamento destes materiais, tem se tornado cada vez maior o interesse no desenvolvimento de modelos matemáticos capazes de descrevê-los de maneira adequada, permitindo explorar todo o seu potencial. O objetivo deste trabalho é propor um modelo constitutivo unidimensional que considera quatro variantes de microconstituintes (austenita, martensita induzida por temperatura, martensita induzida por tensão trativa e martensita induzida por tensão compressiva) e diferentes propriedades para cada fase. O efeito das deformações induzidas por temperatura é incluído na formulação. O modelo contempla ainda o efeito das deformações plásticas e o acoplamento entre os fenômenos de plasticidade e transformação de fase. Além disso, são introduzidas modificações na formulação que permitem o alargamento do laço de histerese da curva tensão-deformação, fornecendo resultados mais coerentes com dados experimentais. Por fim, incorpora-se a assimetria no comportamento tração-compressão. A validação do modelo é obtida comparando os resultados numéricos obtidos através do modelo com resultados experimentais encontrados na literatura para ensaios de tração a diferentes temperaturas e para a assimetria no comportamento tração- compressão.

Tese: Um Método Robusto de Elementos Finitos Generalizados Aplicado à Mecânica da Fratura

Aluno(a) : Wlasmir Cavalcanti de Santana
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/20/2004
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Resumo: Apesar da extensa aplicabilidade do Método de Elementos Finitos na representação e solução de problemas dos mais diversos campos da Engenharia, há ainda classes de problemas em que o seu uso encontra severas dificuldades. Uma delas está relacionada com a simulação da evolução temporal da geometria ou de condições de contorno móveis na Mecânica Computacional. Exemplos típicos destes problemas envolvem grandes deformações, propagação de trincas na mecânica da fratura, escoamentos bi-fásicos, transferência de calor em meios com mudança de fase, entre outros. Nestes casos, a tarefa do acompanhamento das modificações de geometria, dos deslocamentos nas interfaces e das descontinuidades a serem representadas pela malha de elementos finitos implica em modificações da discretização a cada passo da análise, o que requer o emprego de sofisticados procedimentos de adaptação ou de reconstrução da malha. Para atender a estas situações duas classes de novas estratégias foram recentemente propostas na literatura: i) Métodos sem Malha, em que a discretização é estabelecida a partir de um conjunto de nós distribuídos sobre o domínio, dispensando o uso da entidade elemento e, ii) Método de Elementos Finitos Generalizados (MEFG), em que a capacidade de representação da base de funções de forma tradicionais do MEF é estendida utilizando-se de funções específicas ao problema em análise. Neste trabalho investigam-se as características destas duas classes de métodos e, suas vantagens e limitações na aplicação à análise de problemas da mecânica da fratura computacional. Da comparação do desempenho destas técnicas na solução de problemas envolvendo descontinuidades localizadas demonstra-se que o MEFG é numericamente superior aos demais, em aplicações com a análise da propagação de trincas no contexto da Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE). Por este método o campo de deslocamentos representados no MEF tradicional por funções lagrangianas é adicionado (enriquecido) localmente por funções que representam as características de descontinuidade (trinca) presentes no contínuo de forma implícita e intependente da malha. A nova base de funções incorpora também termos que representam a solução da mecânica da fratura linear elástica para os deslocamentos na vizinhança da ponta-de-trinca, mantendo as características de partição da unidade próprias do MEF. A formulação foi implementada em um programa para análise de problemas planos juntamente com uma nova estratégia de integração numérica das equações de equilíbrio que permite eliminar o emprego de eventuais modificações da malha. Este procedimento de integração emprega uma composição das quadraturas de Gauss-Lobato e Gauss-Radau, capacitando o método à uma análise robusta sem o uso de quaisquer procedimentos de reconstrução de malha. Testes numéricos com modelos do MEFG sío apresentados e discutidos, verificando-se uma boa correlação da solução numérica obtida com resultados experimentais ou outras soluções clássicas da MFLE.

Tese: Perfuração Percussiva-Rotativa Auto-Excitada em Rochas Duras

Aluno(a) : Luiz Fernando Furtado de Mendonça Penna Franca
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/02/2004
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Resumo: Uma linha de pesquisa de grande interesse no estudo de colunas de perfuração de poços de petróleo aponta para a necessidade de se aumentar a taxa de penetração (ROP) na perfuração em rochas duras. Procurando suprir tal necessidade, este trabalho tem como objetivo estudar mecanismos e propor um novo dispositivo, utilizando as próprias vibrações geradas na coluna durante a perfuração. As várias formas de vibrar da coluna sío, geralmente, indesejadas durante a perfuração. Porém, é possível utilizar algumas destas formas de vibrar para melhorar a eficiência do processo de perfuração. Inicialmente, avalia-se a influência das vibrações torcional e axial na ROP. Posteriormente, estuda-se a perfuração na ressonância e alguns aspectos e cuidados no uso desta nova técnica de perfuração, que vem sendo desenvolvida por empresas do setor. Por fim, é desenvolvido um novo dispositivo de perfuração, chamado de perfuração com martelo em ressonância ou perfuração percussiva-rotativa auto-excitada. Este dispositivo tem como premissa usar a vibração axial gerada no processo de corte, para criar uma carga harmônica na broca e excitar uma massa de aço (martelo). Desenvolve-se um modelo com vibro-impacto e atrito seco, representado o martelo e a resistência da rocha, respectivamente. Faz-se aqui, um estudo numérico e uma validação experimental do movimento percussivo da broca com este novo dispositivo. Os resultados mostram que a melhor forma do dispositivo operar é impactando a cabeça da broca, em condição de período-1, com um impacto por ciclo de forçamento. Adicionalmente, os parâmetros do experimento são identificados e os resultados numérico-experimental sío similares, validando o modelo adotado.

Tese: Aplicação da Lógica Nebulosa ao Modelo de Muhlbauer para Análise de Risco em Dutos

Aluno(a) : Alberto Edwin Ildefonso Alvino
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/17/2003
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Resumo: W. Kent Muhlbauer fez uma identificação detalhada de aproximadamente 300 diferentes condições que influenciam a avaliação do Risco em uma tubulação e propôs um sistema de pontuação que é conhecido mundialmente como o método de Muhlbauer. O método de Muhlbauer avalia as diversas variáveis que influenciam no Risco de dutovias mediante a atribuição de valores quantitativos. No entanto, sendo um método qualitativo, estas variáveis nío podem ser informadas através de valores exatos. Estas variáveis podem ser tratadas como provenientes de distribuições randômicas. Entretanto, identificar as distribuições randômicas pode exigir muito esforço. Sendo assim, em vez de assumir que as avaliações das variáveis têm distribuições randômicas, pode-se considerar que têm distribuições dadas por conjuntos e números nebulosos. No presente trabalho, os valores numéricos presentes no modelo Muhlbauer passaram a ser admitidos como nío determinísticos, admitindo uma incerteza. Esta incerteza depende do engenheiro especialista avaliador do Risco. Para incorporar esta incerteza no cálculo do valor do Risco procurou-se trabalhar com os conjuntos e números nebulosos. Na análise das incertezas mediante os conjuntos nebulosos, requer-se definir as variáveis lingüísticas (VL), os valores lingüísticos das VL de saída e entrada, as funções de pertinência, além das regras nebulosas. Com estes, um Sistema de Lógica Fuzzy (SLF) é implementado com base na inferência Mamdani. No caso dos números nebulosos, estes admitem um valor mais provável e uma incerteza. Esta incerteza é avaliada por uma função de pertinência normalizada. Operações de soma, subtração, multiplicação e divisío sío possíveis para os números fuzzy. Como resultado final torna-se possível encontrar-se nío só um número que define o Risco como também a incerteza (faixa de valores) que este Risco pode ter, que é uma função das incertezas das avaliações individuais das variáveis. O presente trabalho propõe um modelo básico de Gerenciamento de Risco (GR) e Análise de Integridade Estrutural (AIE) para dutos com corrosío externa. Para isso, os resultados de uma AIE nível I aplicado aos dutos é relacionada com a metodologia de análise de Risco de W. Kent Muhlbauer, através de uma Matriz de Risco. A partir de uma AIE nível I o cálculo da Vida Residual (T*) é avaliada. A T* é comparada com uma Vida Desejada (VD), a qual é obtida da matriz de risco. Se T* é menor que a VD, recomenda-se fazer uma AIE nível II. Se T* é maior que VD determina-se um Tempo de Inspeção (TI) baseado na análise de confiabilidade.

Tese: Avaliação dos Efeitos da Plasticidade na Medição de Tensões Residuais pela Técnica do Furo Cego

Aluno(a) : Ana Cristina Cosme Soares
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/10/2003
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Resumo: Uma das técnicas mais aplicadas para medir tensões residuais em componentes mecânicos é a técnica do furo cego. Esta técnica é de fácil aplicação industrial e é normalizada pela ASTM E 837. Entretanto, devido à concentração de tensões gerada pelo furo, há restrições quanto à aplicação deste método quando as tensões residuais presentes excedem 0.3 da tensão de escoamento do material, Sy. Há na literatura trabalhos que avaliam, por elementos finitos, os erros gerados ao se aplicar diretamente estes coeficientes em componentes com altos níveis de tensões residuais. Em alguns casos, o erro pode chegar a 140%, para tensões da ordem de 0.9 de Sy. Porém, para retrocalcular as tensões residuais estes trabalhos também usam hipóteses válidas apenas no regime elástico, de forma que os resultados por eles apresentados podem ter imprecisões. Neste trabalho propõem-se novas metodologias numéricas para avaliar a validade da norma ASTM E 837 em regime plástico, através de uma modelagem mais realística do alívio de tensão gerado pela usinagem do furo, evitando o uso de hipóteses linear-elásticas. Estas metodologias são: Estado Equivalente, na qual uma tensão equivalente àquela agindo no componente é aplicada na borda do furo; metodologia Morte de Elementos na qual os elementos presentes na região em que o furo será usinado são eliminados numericamente em vários passos, de forma a simular o processo de usinagem; e a metodologia Tensão Substituta, na qual o material presente na região do furo é substituído pela tensão que nele age, a qual é retirada gradativamente. Foram modeladas em elementos finitos placas com furos passantes e cegos, submetidas a carregamentos uniaxiais e biaxiais, desde 0.3 Sy até 0.9 Sy. Além disso, foram utilizados nas simulações materiais tendo limite elástico e de escoamento coincidentes e não coincidentes. Os erros encontrados entre as tensões retrocalculadas e as tensões aplicadas, para todas as situações são menores que encontrados por outros pesquisadores, obtendo-se no pior caso 70 por cento. Finalmente, conclui-se que as metodologias Tensão Substituta e Morte de Elementos são as que simulam de forma mais próxima da realidade o processo de usinagem de um furo em um placa submetida à altas tensões.

Tese: Otimização Geométrica de uma Estrutura em T

Aluno(a) : Alberto Coronado Matutti
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/18/2003
Local:

Resumo: A otimização geométrica tem mostrado ser muito efetiva quando é necessário melhorar o desempenho dinâmico de certas estruturas. As estruturas assim otimizadas atingem boas respostas mesmo sem a aplicação de camadas de viscoelásticos (que incrementam o peso da estrutura) ou de complexos (e ao mesmo tempo caros) sistemas de controle ativo de vibrações. Nesta Tese, será estudada a influência de uma perna de seção transversal variável na resposta dinâmica de uma estrutura em T. A perna variável será discretizada usando três métodos diferentes, o método dos elementos finitos (MEF), os métodos dos elementos espectrais (MEE) e o método da rigidez dinâmica baseado nas funções de Bessel, com propósitos de comparação. Como medida do nível da resposta, a potência vibratória foi usada devido a que leva em conta todas as variáveis relevantes encontradas na resposta dos sistemas dinâmicos. Depois da comparação dos três métodos, o MEE mostrou os melhores atributos, contando que a discretização seja feita apropriadamente. Assim sendo, este método foi escolhido para discretizaras três pernas da estrutura. A seguir, foi definida uma faixa de freqüências na qual a potência vibratória seria minimizada usando um algoritmo genético (AG). As potências em dois pontos da estrutura discretizada foram alternadamente introduzidas no AG, para dessa forma achar a melhor opção em cada caso. O AG otimizou problemas sem e com restrição, no caso do problema restrito somente foram levadas em conta pernas cuja área lateral seja no máximo igual à da perna original de seção constante. A otimização do perfil da seção transversal mostrou que em alguns casos é possível

Tese: Estudo do Espalhamento de Ondas Ultra-Sônicas por Interfaces Defeituosas em Juntas Coladas

Aluno(a) : Ricardo Leiderman
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/27/2002
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Resumo: É notório que a resistência global de uma estrutura composta por várias camadas coladas depende diretamente da qualidade da adesão entre as mesmas. Imperfeições ao longo das interfaces de adesão comprometem significativamente a performance da estrutura. A caracterização não destrutiva destas imperfeições é geralmente tarefa muito difícil. O principal objetivo deste trabalho é apresentar um método analítico-numérico que permite modelar o campo acústico resultante da interação entre ondas ultra-sônicas e interfaces imperfeitas, auxiliando na escolha de parâmetros para o emprego de métodos ultra-sônicos de inspeção. No trabalho, a aproximação quase-estática, proposta por Thompson em meados da década de oitenta,é combinada com o método das perturbações para a modelagem de defeitos localizados ao longo da camada de adesão. O método desenvolvido admite que as camadas sejam feitas de materiais anisotrópicos, e permite a modelagem em altas frequências. Três simulações são apresentadas para exemplificar a aplicação do método. Resultados destas simulações onde feixes ultra-sônicos são incidentes em placas imersas em água revelam frequências e ângulos de incidência para os quais efeitos de espalhamento, que permitem a caracterização de defeitos localizados, são mais significativos.

Tese: Uma Metodologia para a Análise e Modelagem de Tensões Residuais

Aluno(a) : José Luiz Fernandez
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/05/2002
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Resumo: Realizou-se uma completa avaliação das propriedades mecânicas e metalúrgicas do metal de base e do metal de solda para o material da classe API 5L X60. A caracterização das propriedades mecânicas monotônicas e à fadiga deste aço inclui ensaios de tração, de iniciação de trincas por fadiga (épsilonN), de propagação de trincas por fadiga (da/dN), e de tenacidade à fratura (CTOD). Com as propriedades mecânicas quantificadas, passou-se à medição das tensões residuais. Primeiro utilizou-se um equipamento de raios-X portátil para o levantamento do perfil das tensões residuais ao longo da junta soldada. Porém, este método apresentou muita dispersão nos resultados. Em virtude deste fato optou-se por outro ensaio de medição de tensão residual, chamado de método da furação instrumentada ou - Hole-Drilling -.Porém devido à limitação da técnica de furação instrumentada (sigmaRES menor ou igual SE / 3), propôs-se um modelo numérico que viabilizasse a medição das tensões residuais para cargas nominais que variasse até a resistência ao escoamento. Além do mais como o problema da excentricidade na técnica da furação instrumentada é muito relevante, propôs-se uma roseta extensométrica com 5 extensômetros para que se pudesse fazer uma medição das tensões residuais que não fosse determinística.

Tese: Modelagem de Atuadores Piezoelétricos Interdigitais para Geração de Ondas Guiadas em Vigas Compósitas

Aluno(a) : Luis Paulo Franco de Barros
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/05/2002
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Resumo: O presente trabalho apresenta uma modelagem da geração de ondas guiadas em estruturas laminadas compósitas através de atuadores piezoelétricos interdigitais. O estudo foi desenvolvido a partir de uma técnica que se baseia na teoria discreta de Reddy e modela os campos de deslocamento e esforção nas interfaces de uma estrutura laminada. O modelo desenvolvido representa trechos da estrutura em questío através de suas matrizes de impedância, relacionando os esforção e velocidades generalizadas nas interfaces de cada trecho. Após a validação do modelo através da comparação com o metodo dos elementos finitos, via um pacote comercial, onde foi mostrado que os campos calculados pelos dois métodos obtiveram resultados bastante aproximados nas diferentes faixas de freqüência, foi demonstrada a capacidade do modelo proposto de representar atuadores piezoelétricos interdigitais gerando modos guiados desacoplados em vigas laminadas compósitas. Foram modeladas vigas de alumínio e ARALL™. Após o cálculo das suas curvas de dispersío e dos pontos em que os seis primeiros modos sío aproximadamente nío dispersivos, projetaram-se atuadores capazaes de gerar de forma desacoplada alguns dos modos guiados nas vigas. A técnica proposta, que pode ser facilmente adaptada para a simulação da excitação de ondas de Lamb em placas, é capaz de modelar com precisío a resposta em altas freqüências e pode servir como uma ferramenta valiosa para o desenvolvimento de atuadores interdigitais na monitoração em tempo real da integridade estrutural de compósitos laminados.

Tese: Modelagem Numérica de um Problema de Contato com Acoplamento Elasto-Hidrodinâmico

Aluno(a) : Benedito Luis Barbosa de Andrade
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/01/2002
Local:

Resumo: Neste trabalho, apresenta-se uma modelagem numérica de um problema de contato unilateral com acoplamento elasto-hidrodinâmico. Emprega-se estruturas elásticas de baixa rigidez e representa-se o escoamento pela equação da lubrificação de Reynolds. O método dos elementos finitos é usado para discretização da estrutura e do campo de pressío hidrodinâmica. Um procedimento numérico para solução do problema proposto também é apresentado, que se baseia na projeção viável da direção de busca. O objetivo principal do trabalho é desenvolver uma ferramenta numérica para estudar as forças que oferecem resistência ao movimento de um pig em seu movimento no interior do duto.

Tese: Estudo de Sistemas Ativos Pendulares para o Transporte em Veí­culos com Cargas Sensí­veis a Distúrbios

Aluno(a) : Paulo Roberto Rocha Aguiar
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/28/2002
Local:

Resumo: Talhas são dispositivos mecânicos muito usados para carregar e descarregar objetos e/ou transportá-los em indústrias e em armazéns. O movimento da talha é controlado por um operador ou é programado e controlado automaticamente. Nos dois casos, o movimento da talha causa balanços indesejáveis da carga e da garra, levando a um tempo ocioso antes do agarramento e do posicionamento da carga, bem como podendo ocasionar o escape dos cabos das ranhuras das polias, sendo pois um problema de segurança. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de modelos matemáticos que representam um sistema tipo pêndulo embarcado em um veículo que suporta uma carga suspensa por um ou mais cabos. A estrutura na qual se prende o ponto de fixação do cabo de sustentação, chamada de trolley, movimenta-se nas direções horizontal e vertical em função de excitações que são oriundas do movimento sofrido pelo veículo. Este veículo é representado por um outro modelo que está acoplado ao sistema do pêndulo. São projetadas leis de controle para cada um dos modelos criados para que sejam minimizadas as acelerações da carga suspensa. Um dos modelos criados representa uma maca com paciente, suspensos por cabo numa ambulância. A lei de controle deve dar conforto a este paciente ao ser transportado. Para avaliar e validar os modelos dinâmicos e os projetos de controle são realizadas várias simulações e análises experimentais.

Tese: Um Método para o Cálculo de Fluxo Ótico com Estimativa de Confiabilidade

Aluno(a) : Luiz Eduardo Azambuja Sauerbronn
Orientador(a): Marcelo Dreux e Sidnei Paciornik
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/26/2002
Local:

Resumo: Muitos sistemas biológicos utilizam visão como forma primária de sensoriamento. Ao longo de milhões de anos de evolução, as diferentes espécies vêm demonstrando o potencial associado à capacidade de visão. A partir da década de 60, foram iniciados os primeiros estudos no sentido de proporcionar às máquinas esta forma de sensoriamento. A esta nova forma de sensoriamento dá-se o nome de Visão Computacional. Em Visão Computacional, muitos casos requerem a determinação de um campo vetorial que descreva os deslocamentos ocorridos entre dois quadros consecutivos de uma seqüência genérica de vídeo. A este campo vetorial dá-se o nome de Optical Flow (Fluxo Ótico). A determinação do Optical Flow é ainda um problema sem solução. No presente trabalho, propõe-se um novo estimador estatístico para a determinação do Fluxo Ótico. Este estimador possui complexidade O(n) e associa um grau de confiabilidade a cada estimativa realizada. É aplicável a qualquer sinal digital (não apenas imagens ou vídeo, mas também a som, volume, etc) e vem demonstrando resultados muito promissores.

Tese: Análise do Processo de Contato entre Rotor e Estator em uma Máquina Rotativa

Aluno(a) : Ahmed Mohammed Segayer
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/16/2000
Local:

Resumo: O crescente avanço da tecnologia de equipamentos rotativos tem exigido dos projetistas de máquinas adaptá-los às condições de operação mais rigorosas e, consequentemente, projetos mais sofisticados. O aumento da eficiência é freqüentemente realizado por operações de minimização de folga entre os elementos rotativos e estacionários e/ou aumento da velocidade de rotação do rotor. A natureza das funções e o custo elevado dos equipamentos rotativos de alta velocidade exigem precisío e segurança no projeto para evitar riscos de operação. Quando o rotor entra em contato com o estator, este pode exibir um comportamento dinâmico fascinante cujo movimento depende de impacto, atrito, e efetios giroscópicos. Grande parte das preocupações dos engenheiros com relação a vibrações em máquinas rotativas leves e de alta velocidade deve-se aos seus efeitos destrutivos sobre o sistema do estator. Interação devido ao efeito do rubbing entre o conjunto do rotor e sua respectiva carcaça um dos principais causadores de falhas em máquinas rotativas. As forças e tensões desenvolvidas como resultado de pequenas folgas podem resular em desgaste, perda de desempenho, redução de estabilidade, ruído, calor e vibrações. Obter maior conhecimento sobre este fenômeno torna-se extremamente importante para melhorar a capacidade de proteger o sistema de possíveis danos. O fator chave para almejar este objetivo é continuamente aumentar a habilidade de prever a resposta dinâmica com precisío para entío garantir a estabilidade do sistema do rotor. Neste âmbito, o presente trabalho apresenta um estudo teórico, com simulação numérica e validação experimental como objetivo de melhorar nosso conhecimentos sobre o fenômeno.

Tese: Modelagem e Simulação de Colisões Planas entre Corpos Rí­gidos

Aluno(a) : Edson Luiz Cataldo Ferreira
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/06/1999
Local:

Resumo: Em geral, o movimento de corpos se dá em ambiente com barreiras podendo ocorrer colisões. Para que seja possível fazer previsões da dinâmica é necessário saber o que acontece quando um corpo collide. O problema é, portanto, conhecida a dinâmica do corpo pré-colisío e as propriedades dos corpos que colidem, prever a dinâmica pós-colisío. Os primeiros trabalhos publicados sobre o assunto datam de 1668 e, até 1984, os modelos existents pareciam satisfatórios. Porém, a aplicação de um desses modelos a um problema simples apresentou geração de energia. Desde entío, um grande número de trabalhos tem aparecido na literature. A tese trata o problema de colisões planas, discute criticamente os modelos da literature, comparando-os através de uma generalização por nós desenvolvida e propõe um novo modelo que engloba alguns dos modelos da literature. Mostramos os principais problemas de alguns dos modelos e discutimos questões de existência e unicidade. Simulações feitas num programa por nós desenvolvido sío apresentadas e ajudam a entender a influência dos coeficientes constitutivos. A validação dos resultados é realizada através de resultados experimentais colhidos da literatura.

Tese: Métodos para Determinação Quasi-Automática de Ordens de Franjas Isocromáticas na Fotoelasticidade RGB

Aluno(a) : Marcelo de Bastos Lavrador
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/08/1999
Local:

Resumo: O interesse pela fotoelasticidade em aplicações na determinação experimental de tensões, bem como seu uso na indústria como ferramenta de controle de qualidade e inspeção, tem sido estimulado graças à evolução da microinformática e, especialmente, dos equipamentos e softwares destinados à captura e processamento de imagens. Atualmente, novas placas de vídeo, motherboards e velocidade de processamento das CPU s possibilitam um novo avanço na automatização da fotoelasticidade com o uso da luz branca. O presente trabalho descreve, inicialmente, os recentes avanços da determinação automática das ordens de franja fotoelásticas (N), desde o uso de luz monocromática (Gray Photoelasticity) até alcançar o atual estado da arte, no qual se utiliza luz branca e denomina-se Three colors Photoelasticity (ou Fotoelasticidade RGB). Tópicos sobre aquisição de imagens de modelos fotoelásticos e captura RGB, incluindo instruções de programação, são comentados, assim como procedimentos para obtenção de imagend adequadas são sugeridos. Em seguida são apresentadas inovações para melhorar o índice de acertos N nos métodos convencionais, que utilizam tabelas para comparação para realizar susa estimativas. Dois métodos são propostos para corrigir estimativas erradas, baseados em um algoritmo especialmente desenvolvido para qualificar a certeza das estimativas encontradas. No primeiro método as estimativas erradas são identificadas e substituídas através de interpolação linear entre pontos vizinhos. No segundo são utilizados alguns fundamentos da teoria lógica nebilosa para redefinir as estimativas corretamente. O principal objetivo deste trabalho é provar a viabilidade de uma nova linha de pesquisa cujo objetivo é obter, através de uma única imagem de modelo fotoelástico, valores corretos de N. Nesta linha, interessantes ferramentas podem ser elaboradas a partir de técnicas de inteligência artificial como, por exemplo, aplicação de fundamentos da teoria da lógica nebulosa. Os principais resultados deste trabalho foram implementados em um programa de computador, através do qual foi possível apresentar alguns exemplos de aplicação . Nestes exemplos observa-se a facilidade de se obter o Fator de Concentração de Tenção (Kt) e o Fator de Intensidade de Tensão (Kl) através de valores de ordem de franja (N) obtidos pela fotoelasticidade RGB. Outro interessante exemplo é a aplicação prática na indústria de vidro, onde é possível detectar a presença de tensões residuais trativas indesejáveis.

Tese: Dinâmica de um Manipulador Robótico Flexí­vel

Aluno(a) : Roberto Riquelme Sepúlveda
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/16/1999
Local:

Resumo: Apresentamos uma formulação de um robô-manipulador como uma viga em rotação engastada num eixo fixo que tem uma parte rígida de comprimento variável e uma parte flexível, com uma carga no extremo livre. O movimento é decomposto em duas partes: um movimento global rígido e outro devido a deformações da viga em torno de uma configuração variável. Para possibilitar futuro controle na estrutura simplificamos o modelo supondo que a parte flexível da viga com respeito a um referencial móvel sofre apenas pequenas deformações. A contribuição principal da tese consiste no desenvolvimento de um código simbólico-numérico. A formulação da dinâmica, a partir do lagrangeano e das forças generalizadas é feita simbolicamente. As equações são discretizadas no espaço pelo método dos elementos finitos e as matrizes de massa, rigidez, amortecimento e as forças generalizadas são construídas simbolicamente por elemento e então montadas, sendo que todo este processo é automático.

Tese: Algoritmo para Medir Deslocamentos em Grandes Estruturas a Partir de Sinais Acelerométricos

Aluno(a) : José Geraldo Telles Ribeiro
Orientador(a): Jaime Tupiassú e José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/1999
Local:

Resumo: Em estudos de integridade estrutural devem-se realizar medições de deslocamentos, pois estes são diretamente relacionados aas deformações. Contudo, nos casos em que este estudo é realizado em grandes estruturas, como pontes e estádios, torna-se difícil realizar esta medição com os transdutores disponíveis, tais como medidores de deslocamento resistivos e LVDT’s, pois há necessidade de se ter uma referência fixa perto do ponto onde se deseja realizar a medição. Existem muitos transdutores novos que utilizam tecnologia laser para a realização destas medições, contudo, este tipo de transdutor é ainda relativamente caro. Outra forma de se obter deslocamentos é através da integração dupla de sinais acelerométricos, contudo os integradores duplos analógicos comerciais disponíveis apresentam muitos problemas relacionados à sua Resposta Dinâmica e não são uma boa solução. Dessa forma, nesta tese é proposta uma forma de se realizar esta integração dupla de forma digital,obtendo-se então um sistema de medição de deslocamentos que utiliza acelerômetros.

Tese: Análise da Influência do Acoplamento Termomecânico na Propagação de Ondas em Barras Elasto-Viscoplásticas com Dano

Aluno(a) : José Maria Andrade Barbosa
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos e Felipe Rachid
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/28/1998
Local:

Resumo: É considerado neste trabalho um modelo mecânico para simulação do comportamento anisotérmico de materiais inelásticos submetidos a carregamentos dinâmicos. O trabalho tem como motivação o estudo, através de simulações numéricas, dos efeitos da propagação da onda de tensío no meio, e de fenômenos como o aquecimento e a degradação local induzida pelas deformações inelásticas. A equação da energia com seus termos de acoplamentos entre os efeitos térmico e mecânico é incluída na modelagem. A teoria consitutiva utilizada baseia-se na mecânica do dano continuo no contexto de variáveis internas sendo particularizada para materiais elasto-viscoplásticos e aplicado ao caso de uma barra solicitada axialmente. O sistema nío linear de equações diferenciais parciais resultante do modelo é resolvido através do uso uma técnica de decomposição do operador que permite a aplicação de procedimentos numéricos clássicos de solução. Dentre estes procedimentos, foi usado no trabalho, o método de Glimm. Exemplos numéricos retratando a evolução do dano e da temperatura induzida pela deformação plástica devido a carregamentos de impacto e de alta frequência, sío apresentados e analisados. Comparações entre simulações com os modelos isotérmico e anisotérmico permitem caracterizar as influências da equação da energia e do dano.

Tese: Modelagem de Elementos Piezoelétricos para Excitação e Sensoreamento de Sinais Acústicos de Alta Frequência em Vigas Compósitas

Aluno(a) : Antonio Lopes Gama
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/30/1998
Local:

Resumo: O problema tratado nesta dissertação é o da modelagem da excitação, propagação e sensoriamento de ondas acústicas de alta frequência em compósitos piezoelétricos laminados. Empregou-se uma formulação de vigas baseada na teoria discreta de Reddy para compósitos laminados. Esta teoria tem como característica o emprego de funções de interpolação de ordem arbitrária para descrever a variação dos campos de deslocamento e do potencial elétrico ao longo da espessura do laminado. A utilização deste tipo de teoria possibilita a representação de campos de deslocamento que variam rapidamente ao longo da espessura, e que na faixa de altas frequências, são representativos daqueles associados com ondas guiadas em compósitos laminados. No domínio da frequência, o sistema de equações que descreve a resposta eletromecânica do laminado piezoelétrico é colocado na forma de uma equação de estado. A técnica de solução utilizada é baseada no método da imersão invariante, também conhecido como método da varredura ou método de Riccati. Para avaliar os limites da faixa de frequências onde diferentes aproximações são válidas, empregou-se uma técnica baseada na comparação entre o espectro de dispersão exato e aquele previsto pela teoria aproximada. Os resultados destas comparações, mostram que utilizando-se o número de funções de interpolação apropriado, a teoria discreta de Reddy é capaz de representar ondas de comprimento até quatro vezes menores que a espessura da viga. Na faixa de baixas frequências, os resultados são comparados com soluções numéricas fornecidas pelo método dos elementos finitos. Também são apresentados resultados que mostram a variação na resposta eletro-mecânica da viga quando descontinuidades são introduzidas nesta, bem como resultados de experimentos que envolvem a utilização de piezoelétricos como atuadores e sensores.

Tese: Modelagem Matemática e Simulação Gráfica do Envelhecimento Facial

Aluno(a) : Fabiana Rodrigues Leta
Orientador(a): Aura Conci e Djenane Pamplona
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/03/1998
Local:

Resumo: O objetivo da presente tese é a modelagem matemática e a simulação gráfica do processo de envelhecimento facial humano. Para modelar este processo foram realizadas as seguintes etapas: estudo dos principais aspectos envolvidos no envelhecimento facial, observação dos efeitos visíveis do envelhecimento sobre a face, definição das principais regiões faciais relacionadas com o processo de envelhecimento, medição das variações destas regiões ao longo do tempo em um grupo de pessoas, elaboração de um modelo de envelhecimento comum a todo o grupo e criação de curves de envelhecimento facial. A partir destas curves características, utilizando-se técnicas de Processamento de Imagens, foi elaborado um programa de simulação gráfica do envelhecimento facial (Warping de Envelhecimento Facial). Uma vez que a quantificação do envelhecimento foi obtida, tornou-se, deste modo, possível visualizá-lo com base científica. A modelagem de um fenômeno biológico e mecânico que ocorre com todos, contribui com as diversas areas envolvidas no campo da Bio-Engenharia. Conhecendo-se o processo de envelhecimento torna-se possível: propor novas técnicas para retardar ou atenuar tais efeitos, servir de base para pesquisas que permitam avaliar os esforção mecânicos que a pele é submetida ao longo do tempo, apoiar a decisío sobre a idade ideal de intervenção cirúrgica e possivelmente auxiliar no reconhecimento de pessoas que encontram-se por muito tempo desaparecidas.

Tese: Dinâmica Não-Linear de Estruturas Flexí­veis em Grandes Deformações

Aluno(a) : Gabriel Emiliano Barrientos Rios
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/18/1997
Local:

Resumo: É apresentado o modelo não-linear de barras proposto por Simo para o estudo do comportamento dinâmico de estruturas espaciais. A formulação das equações do movimento é feita em um sistema inercial de modo a simplificar o operador de inércia e o material é considerado como elástico linear. Carregamos não – conservativos são considerados de modo que a integração das equações é feita na forma fraca. As partes flexíveis, que são necessariamente estruturas unidimensionais, são descritas por um modelo de barras que generaliza os modelos clássicos de Euler-Bernouilli e de Timoshenko. Implementa-se um programa computacional baseado nesta teoria na linguagem Matlab. O modelo de barras discretiza-se espacialmente usando elementos finitos e integra-se o sistema de equações resultante linearizado usando o método de Newton-Raphson, associado ao esquema de integração de Newmark. Incorpora-se os efeitos de amortecimento interno e cargas seguidoras, assim como elementos lineares quadráticos. Se incorpora à programação o tratamento de juntas esféricas através do método de multiplicadores de Lagrange, que permitem estudar alguns tipos de sistemas de multicorpos flexíveis. O programa é testadopor uma série de exemplos e comparações com resultados clássicos para mostrar a sua versatilidade e também as limitações dos modelos clássicos. Também se apresenta o modelo usado no programa computacional SAMCEF, e mostra-se a potencialidade deste programa em base a uma série de exemplos que incluem problemas de flexibilidade e choque em sistemas multicorpos.

Tese: Investigação para Detecção Automática de Falhas em Tecidos Têxteis

Aluno(a) : Cláudia Belmiro Proença
Orientador(a): Aura Conci
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/17/1997
Local:

Resumo: Este trabalho introduz o conceito de Dimensão Fractal de imagens, além de fazer uma aplicação de alguns métodos usuais de segmentação, visando o controle automático de falhas em tecidos têxteis. Foi desenvolvido um sistema dedicado à indústria têxtil objetivando a detecção de possíveis falhas. Uma indústria têxtil se particulariza por ter produção contínua. A característica planar dos produtos finais deste tipo de produção torna, de uma forma geral, inviável a utilização das técnicas de extração de características morfológicas ou geométricas, usualmente empregadas em sistemas de controle de qualidade baseados na visão. Basicamente o sistema implementado compara informações obtidas de imagens digitalizadas. Estas informações variam de acordo com o método escolhido que pode ser um dos dois grupos: métodos de segmentação e dimensão fractal. Para implementação no sistema, métodos de segmentação conhecidos foram adaptados e aperfeiçoados visando a determinação de variações em uma imagem do produto (o que caracteriza a existência de uma falha). Na utilização da Dimensão Fractal como uma ferramenta para análise de imagens e controle de qualidade utiliza-se um algoritmo eficiente. Este algoritmo calcula os valores de dimensão fractal de imagens em toda a região teoricamente admissível (2 menor ou igual DF menor ou igual 3). O sistema implementado foi experimentado em tecidos planos, onde os vários métodos foram comparados quanto a sua eficiência, precisão e aplicabilidade.

Tese: Análise de Materiais Elásticos Frágeis através de um Modelo de Dano Contí­nuo

Aluno(a) : Stella Maris Pires Domingues
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos e Fernando Alves Rochinha
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/04/1996
Local:

Resumo: Este trabalho lida com uma teoria de dano continuo, desenvolvida em um contexto termodinâmico, capaz de realizar uma descrição macroscópica da degradação de um material induzida pela deformação em estruturas elásticas frágeis (isto é, falha ocorre sem deformações permanentes). Na modelagem, supõe-se que a energia livre de Helmholtz nío depende apenas da deformação e da temperatura absoluta, mas também da variável dano e de seu gradiente. Além disso, para levar em conta os efeitos microscópicos, a potência dos esforção internos nío depende apenas da velocidade e de seu gradiente, mas também da velocidade do dano e de seu gradiente. Apesar da sofisticação mecânica da teoria, uma técnica numérica simples, baseada no método dos elementos finites, é proposta para aproximar a solução dos problemas matemáticos nío lineares resultants. Nestes problemas o acoplamento entre as variáveis dano e deformação é contornado por meio da técnica de partição dos operadores. Para analisar a coerência física do modelo e investigar as características principais do método numérico, diversos exemplos sío apresentados para mostrar que os algoritmos utilizados nío sío sensíveis à malha (mesh dependent).

Tese: Um Modelo para a Previsão da Incerteza do Dano por Fadiga

Aluno(a) : Jorge Luiz de Almeida Ferreira
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/15/1995
Local:

Resumo: O presente trabalho tem como objetivo deduzir, implementar e validar um modelo para avaliar o valor médio e a variância do dano por fadiga em estruturas sujeitas a carregamentos aleatórios. Para isto, a técnica de aproximação da média e da variância através da expansão em série de Taylor foi aplicada ao conjunto de equações do método epsilon-N e à regra de acúmulo de dano de Palmgren-Miner. O modelo proposto permite avaliar o comportamento estatístico das gamas de tensão localizadas, das gamas de deformações localizadas e do dano propriamente dito. O modelo proposto possibilita a combinação dos fatores aleatórios associados à história de carregamento e ao comportamento mecânico do material. Isto permite avaliar a dispersão do dano sob um aspecto mais amplo, quantificando de forma independente as incertezas oriundas do comportamento aleatório do material e da história de carregamento. A fim de avaliar o modelo proposto, foram utilizadas 20 histórias de carregamento diferentes. Estas histórias foram combinadas à dois níveis distintos de dispersões das propriedades mecânicas do material. A comparação das estatísticas obtidas analiticamente com aquelas estimadas através da técnica de simulação de Monte Carlo demostraram a viabilidade da utilização do modelo proposto. Um estudo bastante completo foi realizado com relação à influência da história de carregamento sobre a dispersão do dano. Por este estudo verificou-se que a dispersão na previsão do dano provocado por trechos distintos de histórias são fortemente dependentes do tamanho da amostra. Para os casos estudados, verificou-se que trechos amostrados com menos de 3000 picos conduzem a dispersões superiores à 10 por cento , para histórias estritamente estacionárias, e superiores à 20 por cento, para histórias estacionárias num sentido amplo. Após estudar o comportamento estatístico do dano acumulado e de seu valor crítico para a iniciação de uma trinca de fadiga, foram utilizados dois modelos analíticos distintos para a previsão da confiabilidade de projetos à fadiga. Estes modelos foram desenvolvidos supondo a distribuição de Weibull e a lognormal. A validação destes modelos foi realizada comparando-se os resultados estimados analiticamente com seus correspondentes obtidos por simulação de Monte Carlo. A comparação das curvas de confiabilidade obtidas analiticamente com as curvas obtidas por simulação de Monte Carlo mostrou que o modelo baseado na distribuição lognormal é o mais indicado para a previsão da confiabilidade de projetos à fadiga.

Tese: Modelagem Matemática, Simulação e Ajuste do Modelo de um Hidrociclone

Aluno(a) : Juan Sergio Romero Saenz
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/17/1994
Local:

Resumo: Este trabalho apresenta um modelo matemático completo e a implementação de um sistema computacional para a simulação do escoamento em um hidrociclone, que leva em conta o núcleo de ar como uma superfície livre, caracterizando esta interface livre formada como do tipo Young-Laplace. Pelas características do escoamento foi considerada a difusío turbulenta, que foi necessário acrescentar para poder ajustar bem o modelo aos dados experimentais. Sío aproximados os campos de velocidades e pressões, assim como a forma e localização da interface, esta através de um método lagrangeano. Neste método utiliza-se uma malha lagrangeana para caracterizar a interface livre e uma malha euleriana para calcular os campos de velocidades e pressões no escoamento através do método dos volumes finites. O ajuste da interface é feita através de um processo iterativo. Sío feitas simulações numéricas e sío mostradas comparações das previsões teóricas com dados experimentais que validam o modelo.

Tese: Uma Contribuição À Formulação de Métodos Numéricos Simples para Aproximação de Problemas em Elasto-Viscoplasticidade

Aluno(a) : Hayder Taha Mohamed Hussain
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/16/1994
Local:

Resumo: O objetivo princioal deste trabalho é estudar a viabilidade do uso de técnicas numéricas simples para aproximar a solução de uma classe de problemas Elasto-Víscoplasticos no dominio de pequenas deformações, e estabelecer qualitativamente um domínio de validade numérico para esta análise. Neste caso o método de Galerkin é utilizado para integrar e conjunto de equações Elasto-Viseoplastieas no espaço e esquemas de integração Explicitos do tipo Preditor-Corretor são usados para integrar no tempo o conjunto de equações semi-discreto. O conjunto de leis de comportamento Elasto-Viscoplastico (proposto por Lemaitre e Chaboche) é desenvolvido num contexto termodinâmico associando-se Variáveis Internas aos vários Mecanismos Dissipativos que um material Elasto-Viscoplastico apresenta vários Mecanismos Dissipativos que um material Elasto-Viscoplastico apresenta durante sua evolução. Neste trabalho serão analisados alguns aspectos dos esquemas propostos como a estabilidade do Esquema de Integração Temporal e o problema de Trancamento da malha além da abordagem de tópicos como o problema de Contato Unilateral de materiais Elasto- Viscoplasticos sujeitos a pequenas deformações.

Tese: Seleção de Parâmetros para a Usinagem Mecânica: Uma Abordagem Multi-Critério

Aluno(a) : Helder Gomes Costa
Orientador(a): Aura Conci e Luiz Flavio Autran M. Gomes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/01/1994
Local:

Resumo: A presente pesquisa apresenta uma inédita abordagem multi-critério aplicada a seleção de parâmetros para a usina mecânica. O modelo proposto aborda a seleção de ferramentas de corte e a otimização das condições de usinagem em múltiplos estágios (mais especificamente a seleção do avanço, da velocidade de corte e da composição de estágios de usinagem). Apresenta-se, também, um sistema computacional (SIAD_T) desenvolvido em pararelo à presente pesquisa, com o objetivo de simular a metodologia aqui proposta. Este sistema, aplicável à seleção de condições de usinagem em operações de carreamento em tornos mecânicos, é dotado das seguintes ferramentas: (i) ferramenta gráfica para entrada das características geométricas da peça a ser usinada; (ii) ferramenta gráfica para definição dos volumes unitários (estágios de usinagem); (iii) código numérico para implementação do modelo multi-critério no processo de seleção de variáveis para a usinagem dos volumes unitários; e, (v) código numérico para implementação do modelo multi-critério no processo de seleção das famílias de volumes unitários (conjuntos de volumes unitários). Além destes pontos, o presente texto apresenta uma inédita análise de sensibilidade, na qual se avalia e questiona o grau de relevância da aplicação de uma abordagem multi-critério ao processo de tomada de decisões no contexto da usinagem.

Tese: Análise do Acoplamento Termomecânico em Materiais Elasto-Viscolásticos

Aluno(a) : Pedro Manuel Calas Lopes Pacheco
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/02/1994
Local:

Resumo: A modelagem do acoplamento entre os fenômenos mecânicos e térmicos em sólidos inelásticos é considerada neste trabalho. O acoplamento termomecânico é importante em determinadas situações, como por exemplo, no estudo de problemas envolvendo deformações inelásticas cíclicas em estruturas metálicas. Um procedimento sistemático para obtenção de equações constitutivas termodinamicamente admissíveis é apresentado. Através deste procedimento, baseado na Termodinâmica dos Procesos Irreversíveis, foi possível obter uma teoria constitutiva para modelar o comportamento anisotérmico de metais e ligas metálicas. Dois tipos de acoplamentos termomecânicos foram identificados: o acoplamento interno, associado à dissipação interna do processo mecânico, e o térmico, associado à dependência dos parâmetros das equações constitutivas com a temperatura. A teoria foi parrticularizada para materiais elasto-viscoplásticos. Simulações com barras foram realizadas para estudar fenômenos como o aquecimento de metais provocado por solicitações mecânicas complexas e o comportamento de metais submetidos a grandes gradientes de temperatura. Uma variável de dano foi incorporada ao modelo, permitindo estudar a influência do acoplamento termomecânico em processos de degradação do material como fadiga de baixo ciclo.

Tese: Modelagem e Simulação Numérica de Sistemas Dissipativos com Número Finito de Graus de Liberdade

Aluno(a) : Hugo Mário Tavares Jr.
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/10/1994
Local:

Resumo: A Mecânica do Contínuo equaciona os problemas de forma diversa que a Mecânica de Corpos Rígidos. Com o surgimento de um grande número de problemas de importância tecnológica, que sío modelados como tendo uma parte rígida e outra elástica, tornou-se necessário desenvolver uma formulação unificada. Neste trabalho desenvolve-se tal formulação. Através do princípio das potências virtuais juntamente com o princípio de D’Alembert generalizado, estende-se o teorema de Fourier-Cournot para problemas de dinâmica com vínculos unilaterais. A partir desse teorema mostra-se que há duas formas equivalentes de tratar tais problemas: 1) através da formulação em termos de complementariedade linear paramétrica e, 2) através do princípio de Gauss. Advoga-se o tratamento intrínseco, isto é, nío se utiliza no desenvolvimento de sistemas de coordenadas. O método de Maggi-Kane é usado, a porteriori, para suprir a fase de gerar um conjunto de equações que descrevem um problema específico, uma vez que se mostra que o referido método fornece uma sistemática de geração de bases para o espaço dos movimentos virtuais. Com o objetivo de tratar a dinâmica de sistemas de multicorpos rígidos sujeito a vínculos externos que representam o contato instantâneo entre os corpos do sistema e o exterior, mostra-se a necessidade de se considerar velocidades descontínuas em um número finito de instantes de tempo. Nestes instantes (instantes de choque), a velocidade deixa de pertencer ao conjunto convexo dos movimentos virtuais. Para trazê-la para o conexo, emprega-se, além da condição de salto, uma equação constitutiva que relaciona as velocidades anterior e posterior ao choque através das condições de vínculos de coeficientes, os quais refletem que o choque entre os corpos é um fenômeno que nío aumenta energia do sistema. Na parte de simulação, estuda-se a dinâmica do bi-pêndulo com obstáculo e, via a metodologia de Maggi-Kane, equaciona-se o problema. Aproxima-se, numericamente, as equações resultantes empregando-se o método da decomposição de operadores. Além disso, justifica-se o algoritmo proposto por Moreau [1985].

Tese: Um Modelo de Dano Contí­nuo para Materiais com Comportamento Elasto-Plástico

Aluno(a) : Fulvio Enrico Giacomo Chimisso
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/26/1994
Local:

Resumo: A Mecânica do Dano Contínuo é uma ferramenta promissora para a análise de falha em componentes de máquinas e de estruturas. Todavia, nío é uma tarefa simples a de se obter uma descrição física realística, associada a uma descrição matemática correta, do acoplamento entre a deformação e o amolecimento causado pela degradação da microestrutura. No caso de barras metálicas, a deformação plástica cíclica causa um endurecimento junto com uma degradação na estrutura (dano de fadiga). Por outro lado, a degradação da estrutura induz o amolecimento observado na curva tensío de engenharia vs. deformação. Logo, torna-se importante a modelagem do acoplamento entre plasticidade e dano para que se possa prever de maneira adequado o tempo de vida (ciclos), de um componente estrutural. Muitas tentativas feitas para descrever este tipo de comportamento mostraram-se insatisfatórias. O problema matemático é, em geral, mal posto e uma aproximação numérica da “solução” é incorreta do ponto de vista físico. Nestes casos, o fenômeno de localização da deformação é malha-dependente. No presente trabalho, propõe-se uma nova teoria de Dano para materiais elasto-plásticos que supera este problema. A teoria tem uma forte base termodinâmica e leva em conta o fenômeno de amolecimento. Uma diferença básica em relação a outros modelos consiste no fato de que a variável escalar D, associada ao dano, é considerada nío apenas uma variável de estado mas também uma variável cinemática independente, com abordagem semelhante à apresentação nas teorias de contínuo com microestrutura. As possibilidades de utilização da teoria apresentada sío verificadas através da comparação de simulações numéricas com resultados experimentais, para solicitações cíclicas uniaxiais, em barras de alumínio estrutural e em barras de aço austenítico AISI 316L.

Tese: Dinâmica Não-Linear e Caótica de Sistemas Mecânicos com Memória de Forma

Aluno(a) : Marcelo Amorim Savi
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/25/1994
Local:

Resumo: Motivado por aplicações na área de materiais e estruturas inteligentes, este trabalho apresenta resultados de um estudo sobre a resposta dinâmica de sistemas mecânicos contendo elementos com memória de forma. Inicialmente é realizada uma revisío crítica de algumas teorias fenomenológicas que procuram descrever os efeitos de memória de forma e pseudoelasticidade associados a transformações martensíticas termoelásticas. Duas destas teorias sío utilizadas na modelagem de uma mola helicoidal. O comportamento dinâmico de um oscilador com memória de forma é investigado. Verifica-se que o sistema pode responder caoticamente sob determinadas condições. É também apresentado um método, baseado na técnica dos Elementos Finitos, para a análise estática e dinâmica nío-linear de estruturas reticuladas com memória de forma. Resultados de simulações numéricas ilustram a complexidade do comportamento destas estruturas.

Tese: Integridade Estrutural de Tubulações Anelásticas Submetidas a Transientes Hidráulicos

Aluno(a) : Felipe Bastos de Freitas Rachid
Orientador(a): Heraldo Silva da Costa Mattos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/13/1993
Local:

Resumo: Neste trabalho, apresentam-se modelos mecânicos para previsão da integridade estrutural de tubulações anelásticas conduzindo líquidos, submetidas a transientes hidráulicos. A descrição do fenômeno de transiente hidráulico é feita com base em duas formulações unidimensionais: uma acoplada e outra desacoplada. A formulação acoplada considera a interação dinâmica fluido-estrutura entre os movimentos do fluido e do tubo, enquanto que a desacoplada refere-se ao modelo tradicional de golpe de ariete. A integridade da tubulação é modelada com base na Mecânica do Dano Continuo. O comportamento anelástico da parede do tubo assim como o dano induzido pela deformação anelástica são descritos por uma teoria constitutiva com variáveis internas e forte respaldo termodinâmico. A teoria engloba um grande número de equações constitutivas encontradas na literatura e permite descrever diferentes respostas mecânicas numa mesma estrutura matemática. As equações resultantes para ambos os modelos - acoplado e desacoplado - formam um sistema não linear de equações diferenciais parciais hiperbólicas. Apesar da forte não linearidade, mostra-se que métodos numéricos clássicos podem ser empregados para resolver as equações quando se utiliza uma técnica de decomposição do operador. No trabalho, emprega-se entre outros o método de Glimm. Exemplos numéricos que retratam a evolução do dano induzida por transientes de pressão em tubulações elasto-viscopláticas são apresentados e analisados. Comparações realizadas entre as previsões dos modelos e entre simulações com e sem dano permitem, na análise, caracterizar as influências do acoplamento fluido-estrutura e do dano.

Tese: Uma Nova Formulação de Elementos Finitos para o Problema de Navier-Stokes

Aluno(a) : Sergio Luiz Frey
Orientador(a): Rubens Sampaio e Leopoldo Luis Cabo Penna Franca
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/18/1991
Local:

Resumo: Métodos estabilizados de elementos finitos são propostos e analisados para problemas de fluidos, com particular ênfase nas equações de Navier-Stokes incomprenssível. Após a apresentação da mecânica dos escoamentos dos fluidos, introduzimos no Capítulo 3, no contexto de problema de Stokes, as dificuldadas numéricas associadas ao método de Galerkin em problemas de fluidos e simulamos em sucesso alguns escoamentos lentos através de formulações finitos para estabilizadas. No capítulo 4, propomos uma nova formulação de elementos finitos para a equação da energia, mais precisamente para o modelo da advecção-difusão do calor. Graças a um novo desenho do parâmetro de estabilidade T, o qual permite adicionar difusão às regiões advectivas e difusivas-dominadas do escoamento de maneira diferemciada, obtivemos um bom desempenho novo método mesmo em situações de altíssimo número de Péclet (10(2) menor que Pe menor que 10 e (6)), conforme ilustram os testes numéricos realizados. Coletando as experiências adquiridas com modelos lineares de Stokes e da advencção-difusão, nos foi possível propor, analisar o erro e testar dois novos métodos estabilizados para o problema de Navier-Stokes transiente. Construídos de maneira a herdar as boas características de estabilidade dos métodos propostos apresentam bom desempenho em escoamentos fortemente advectivos, bem como não necessitam atender a priori à condição de Baduska-Brezzi. Através de um algoritmo preditor/ multi-corretor de integração do termo inercial da equação de movimento, estes ,métodos foram capazes de de simular de maneira precisa escoamentos de interesse em Mecânica(400 menor que Re< menor que 500), captando escoamentos secundários, tais como recirculações de fluido.

Tese: Uma Formulação da Teoria de Tensão Superficial com Aplicações a Problemas de Fronteira Livre

Aluno(a) : Arturo Bernardo Barrientos Rios
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/17/1991
Local:

Resumo: Este trabalho originou-se com um problema industrial, o de recobrimento de um cabo por uma camada de verniz. A questão era modelar o processo de recobrimento de modo que este pudesse ser controlado, evitando perdas e otimizando a produção. O problema é descrito e resolvido nesta tese. Além disso, é formulada uma teoria de interfaces, como as existentes em escoamentos com fronteiras livres ou móveis, onde a tensão superficial desempenha um papel dominante. A formulação da teoria é feita com base na Mecânica do Contínuo, e a interface é modelada como um corpo bidimensional que separa e interage com corpos tridimensionais, dos quais faz parte. A teoria desenvolvida é aplicada em vários problemas com superfície livre para demonstrar a versatilidade da mesma. Uma as contribuições a destacar é o desenvolvimento de um código para o cálculo de superfícies capilares de equilíbrio.

Tese: Encaixe Geral de Figuras Planas

Aluno(a) : Altamir Dias
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/13/1991
Local:

Resumo: O uso cada vez mais corrente de métodos heurístico tem permitido contribuir para a automação e otimização de inúmeros processos industriais complexos. Um dos processos que vem sendo beneficiado é o corte de roupas na indústria do vestuário, onde o encaixe de moldes deve ser feito de forma a minimizar o desperdício de tecido. Este trabalho visa a dar uma contribuição ao problema geral de encaixe de figuras planas irregulares. Assim, busca-se resolver este problema através do uso de regras heurísticas implementadas num algoritmo computacional. Como ponto principal, o apresenta uma sistemática de construção de alternativas de encaixe, em forma de uma árvore, facilitando a busca de um encaixe solução, de alto rendimento, entre as praticamente infinitas possibilidades. A viabilização do algoritmo de encaixe é alcançada através de duas técnicas de posicionamento dos moldes que previnem sua superposição. As vantagens das duas técnicas são combinadas para melhor proveito do algoritmo. Nas conclusões são discutidas as dificuldades encontradas e formulados novos caminhos para a investigação.

Tese: Formulação e Solução para Análise Limite com Superfí­cie de Escoamento Não Linear

Aluno(a) : Laví­nia Maria Sanabio Alves Borges
Orientador(a): Néstor Alberto Zouain Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/22/1991
Local:

Resumo: O objetivo deste trabalho é apresentar as formulações variacionais para o problema de análise limite e o desenvolvimento do processo de resolução, que envolve o método dos elementos finitos e as técnicas de programação matemática. As formulações variacionais sío apresentadas em três versões: estática, cinemática e mista. Estas formulações sío derivadas a partir da proposição das relações constitutivas na forma de pseudopotenciais conjugados. Estes princípios sío discretizados através do método dos elementos finitos. Sío propostos dois algoritmos iterativos de programação matemática pra a solução do problema. Os algoritmos podem ser aplicados tanto para o comportamento plástico descrito por funções de escoamento lineares como nío lineares. Nas aplicações numéricas sío analisados corpos em estado plano de tensío, deformação e com simetria de revolução.

Tese: Modelagem e Simulação da Transferência de Energia em Meios Porosos Saturados Via Teoria de Misturas

Aluno(a) : Maria Laura Martins Costa
Orientador(a): Rubens Sampaio e Rogério Martins Saldanha da Gama
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/12/1991
Local:

Resumo: O objetivo principal deste trabalho foi apresentar um modelo matemático que permitisse uma descrição local do processo de transferência de energia num escoamento saturado através de um meio poroso rígido. Este modelo teve como base o ponto de vista da Teoria de Misturas. Neste contexto, fluido e sólido (o meio poroso) foram tratados como constituintes contínuos de uma mistura binária, coexistindo superpostos em todo o volume da mistura. Um importante aspecto levado em conta no presente trabalho foi permitir que os constituintes fluido e sólido possuísem seus próprios campos de temperatura, de tal forma que a hipótese de equilíbrio térmico nío foi suposta a priori. Problemas envolvendo convecção livre e forçada foram simulados numericamente. A transferência de calor por convecção forçada num canal poroso limitado por duas placas planas isotérmicas foi simulada em três casos diferentes. No primeiro, foram consideradas quatro condições de contorno na direção x. No segundo, a ausência de condição de contorno para o constituinte fluido na saída do canal, levou à utilização de um esquema iterativo. Finalmente, no terceiro caso, no qual foi apresentado um algoritmo iterativo, a única condição de contorno prescrita na direção x foi a temperatura do constituinte fluido na entrada do canal. Um trocador de calor de leito poroso num arranjo em contra-corrente também foi considerado. O trocador consistia de dois canais porosos, separados por uma parede impermeável sem resistência térmica. A convecção natural numa cavidade porosa foi também simulada, sendo considerado o efeito de alguns parâmetros adimensionais. Linhas de corrente e isotermas (para os dois constituintes) foram plotadas em alguns casos representativos.

Tese: Potenciais Generalizados e Otimização na Análise Elasto- Plástica

Aluno(a) : Mildred Ballin Hecke
Orientador(a): Néstor Alberto Zouain Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/31/1991
Local:

Resumo: Este trabalho focaliza a análise elasto-plástica de componentes mecânicos e estruturais. Especial atenção é dada a formulação da equação constitutiva. A relação constitutiva em taxas é equacionada na forma de potenciais generalizados onde utiliza-se o conceito de subgradientes. Para tal, sío introduzidos conceitos básicos da termodinâmica sendo usadas variáveis internas para descrever os mecanismos dissipativos. Sío apresentados pseudo-potenciais em incrementos finitos de tensões e deformações que incorporam a admissibilidade plástica e sío capazes de descrever o descarregamento elástico local desde que nío haja plastificação seguida de descarregamento no passo. Esta forma é utilizada na obtenção de Princípios de Mínimo para a análise elasto-plástica. A discretização espacial é feita utilizando o Método dos Elementos Finitos. Sío considerados algoritmos para a solução do problema elasto-plástico. Sío incluídas algumas aplicações numéricas a problemas planos e a flexío de placas.

Tese: Modelagem e Análise Numérica de Escoamentos Saturados em Meios Porosos Rí­gidos e Elásticos Lineares

Aluno(a) : Marcio Arab Murad
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/13/1990
Local:

Resumo: Este trabalho apresenta novas diretrizes para o estudo de escoamentos saturados em meios porosos rígidos e elásticos lineares. Sío propostas novas abordagens do problema que vío desde a modelagem até a teoria de aproximação numérica. Destacam-se os seguintes pontos: - apresentação de uma teoria clássica, a qual, baseada em observações experimentais, utiliza a Lei de Darcy como forma de expressar o balanço de momentum para o fluido; - Derivação de estimativas de erro para a aproximação por elementos finitos das equações que descrevem o problema de escoamentos em meios porosos elásticos lineares. Nesta área é dado ênfase a análise do problema de consolidação linear de solos saturados proposto por Biot. Para aumentar as taxas de convergência e consequentemente melhorar a precisío da solução aproximada sío propostas técnicas de pós-processamento sequencial de Galerkin-Petrov-Galerkin.

Tese: Modelagem e Simulação Numérica de Estruturas Unidimensionais

Aluno(a) : Fernando Alves Rochinha
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/10/1990
Local:

Resumo: É apresentado um modelo não-linear para estruturas unidimensionais em equilíbrio, onde não são feitas restrições de caráter geométrico. Este modelo é capaz de descrever movimentos que envolvam flexão, torção, cilhamento e extensão. As configurações de referência e deformada têm sua geometria descrita através da posição espacial de uma curva e da orientação de uma base ortonormal associada a cada ponto dessa curva. O uso dos ângulos de Euler na descrição das rotações, o que pode implicar em instabilidades numéricas, é evitado através do uso de uma nova parametrização para o problema. O problema de equilíbrio que envolve o comportamento não-linear de uma estrutura unidimensional é formulado de diferentes maneiras. São apresentados dois métodos numéricos para a solução desse problema. Um deles é baseado numa decomposição via lagrangeano aumentado e outro é um método de Newton não convencional. São discutidos detalhes acerca da implementação computacional desses métodos. A validade das formulações é atestada através de alguns exemplos numéricos. Em particular. São analisadas algumas aplicações relacionadas com operações de cabos umbilicais em prospecção petrolífera, que envolvem carregamentos estáticos complicados como aqueles ocasionados por flutuadores e pela atração gravitacional.

Tese: Uma Contribuição à  Formulação Termodinâmica da Elastoplasticidade e da Elastoviscoplasticidade

Aluno(a) : Heraldo Silva da Costa Mattos
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/12/1988
Local:

Resumo: A evolução de um corpo pode ser estudada usando-se as equações de conservação de massa, de energia e o Princípio das Potências Virtuais. Para uma modelagem completa é necessário ainda fornecer informações adicionais que caracterizam o comportamento de um dado material, o que é feito através de hipóteses constitutivas. Uma solução dessas equações será mecanicamente admissível se ela não violar a Segunda Lei da Termodinâmica. Este trabalho apresenta um procedimento sistemático de obtenção de equações constitutivas que satisfazem automaticamente uma versão local da Segunda Lei da Termodinâmica. A teoria Desenvolvida estende e generaliza os conceitos da Termodinâmica dos Processos irresistíveis, não supondo a priori o desacoplamento da dissipação térmica e da dissipação intrínseca e permitindo a existência de um potencial de dissipação não convexo e não diferenciável. A partir dessa teoria termodinâmica básica foram desenvolvidos os seguintes tópicos: - Classificação e análise dos comportamento usuais de sólidos em pequenos deformações(elasticidade, viscoelasticidade, elastoplasticidade e elastoviscoplasticidade). - Modelagem, simulação numérica e avaliação experimental do acoplamento entre o envelhecimento e a plasticidade em metais e ligas metálicas (endurecimento por precipitação-mudança de fase). Na final do trabalho apresenta-se uma alternativa de extensão para um contexto de grandes deformações do estudo feito para sólidos, visando a análise de processos de conformação mecânica de metais.

Tese: Aplicação do Método de Continuação a Problemas de Elasticidade Finita de Materiais Incompressí­veis

Aluno(a) : Edgar Nobuo Mamiya
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/16/1987
Local:

Resumo: Apresenta-se aqui uma aplicação do método de continuação, baseado no algoritmo de Euler-Quase Newton, a problemas de equilíbrio de materiais hiperelásticos incompressíveis sujeitos a grandes deformações. Discretiza-se o problema misto estado deformado-campo de pressão pela utilização do método dos elementos finitos, prevendo-se a compatibilidade LBB entre os espaços envolvidos. Propõe-se a utilização de uma função densidade de energia de deformação para o material de Mooney-Rivlin distinta daquela apresentada na literatura clássica, devido ao mal comportamento do Hessiano associado à formulação original.

Tese: Uma Formulação Matemática da Teoria de Materiais Granulares

Aluno(a) : José Carlos Leite dos Santos
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/28/1987
Local:

Resumo: O propósito deste trabalho é propor um modelo teórico axiomático, que descreva o comportamento termomecânico de materiais granulares, fundamentado em uma descrição física simples, do que entende-se por material granular. No capítulo I, faz-se uma revisão bibliográfica, objetivando uma visão geral do estado da arte e delinear a importância do estudo de materiais granulares. No capítulo II, utiliza-se um método axiomático estabelecendo-se as equações de balanço que descrevem o comportamento termodinâmico de materiais granulares. No capítulo III, utilizando-se um outro método axiomático, analisa-se algumas condições de contorno para materiais granulares. No capítulo IV, estuda-se restrições internas em materiais granulares, exemplificando-se algumas. Finalmente no capítulo V, aplica-se o embasamento teórico dos capítulos anteriores, na solução do problema de escoamento de um material granular entre placas paralelas.

Tese: SDP: Um Sistema para Desenvolvimento de Programas Baseados no Método dos Elementos Finitos

Aluno(a) : Jayme Pereira de Gouvêa
Orientador(a): Luiz Bevilacqua e Raul Antonino Feijóo
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/12/1986
Local:

Resumo: O principal objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema computacional, denominado SDP, para auxiliar a elaboração de programas baseados no Método dos Elementos Finitos (MEF). É dividido em três partes: primeiramente é apresentado o SDP, que compreende um sistema de gerenciamento de dados (memória principal, arquivos em disco e fita), uma padronização para a documentação e facilidades para testes e depuração de programas; em uma segunda parte, utilizando-se este sistema, é desenvolvida uma organização para os programas e para as bibliotecas de rotinas; finalmente, são apresentadas aplicações mostrando as principais características do sistema e sua potencialidade. Os problemas de elasticidade infinitesinal linear, condução de calor e elasto-plasticidade incremental são descritos através de uma formulação variacional, a partir da qual são desenvolvidas soluções aproximadas utilizando-se o MEF. Por último, tomando-se por base as soluções encontradas por meio desta abordagem, são elaborados os programas aplicativos.

Tese: Modelagem para Escoamentos em Meios Porosos

Aluno(a) : Rogério Martins Saldanha da Gama
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/12/1985
Local:

Resumo: O presente trabalho tem como objetivo a modelagem de escoamentos através de meios porosos, sob o ponto de vista da Teoria Contínua de misturas. O fluido e o sólido, que compõe o meio poroso, são tratados como constituintes contínuos de uma mistura binária, onde não ocorrem reações químicas. Em todas as situações aqui tratadas o fluido é suposto Newtoniano e incompressível, enquanto o meio poroso é rígido, homogêneo e isotrópico. O trabalho pode ser dividido em duas partes principais. Na primeira são modelados escoamentos através de regiões contendo meios porosos saturados e regiões onde só existe o fluido. São discutidas condições de compatibilidade sobre as interfaces, que separam as regiões, e é estabelecido um modelo para escoamentos, nos quais não exista fluxo de massa através das interfaces. A segunda parte trata de escoamentos em meios porosos insaturados, onde é preciso se considerar o efeito de forças capilares. Nesta parte é estabelecido um modelo e são simuladas situações unidimensionais. São estudados vários casos entre eles o enchimento de uma placa porosa, com e sem efeitos de atrito e de forças gravitacionais. A obtenção de resultados, nestes casos, exige a solução numérica de um sistema hiperbólico não-linear de equações diferenciais.

Tese: Detecção de Anomalias em Rolamentos de Turbinas Eólicas utilizando Dados de CMMS e Aprendizado de Máquina

Aluno(a) : Gabriel Freitas Santos
Orientador(a): Florian Pradelle e Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/30/2024
Local:

Resumo: A necessidade de antecipar falhas em turbinas eólicas torna-se cada vez mais urgente. O aumento exponencial no número de turbinas instaladas, juntamente com o envelhecimento da frota de geração, intensificou a competição para reduzir os custos de operação e manutenção, o que significa minimizar paradas não planejadas e minimizar grandes e caras manutenções corretivas. O objetivo deste estudo é utilizar os dados de vibração disponíveis nos Sistemas de Monitoramento e Gestão de Condição (CMMS) para identificar turbinas com desvios significativos de condição que apresentem alto risco de falha. A abordagem de processamento de dados usando CNN e PCA na etapa de pré processamento, juntamente com SVM para classificação do estado de saúde, demonstrou excelente precisão tanto para testes de uma única turbina quanto para testes de múltiplas turbinas, tornando-a adequada para a gestão de parques eólicos com um grande número de turbinas. 

Tese: Nonlinear Identification of a Flexible Joint Robotic Actuator Using Proprioceptive and Video Data

Aluno(a) : Antonio Weiller Corrêa do Lago
Orientador(a): Igor de Paula e Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/04/2024
Local:

Resumo: In the context of human interactive robotics, there is a growing interest in Series Elastic Actuators (SEA), driven by the critical need to ensure safety and functionality. Moreover, a precise model is required to obtain optimal control. However, the inherent nonlinearities of those actuators, such as friction, gear backlash, and noise, greatly increase the challenge of controlling and modeling such devices. Furthermore, a compliant element adds a new nonlinearity, making the modeling task more challenging. Aiming to tackle these issues, this work proposes extensive system identification to obtain mathematical models characterizing the dynamics of an original low-cost elastomer-based SEA. The proposed methodologies investigate different characteristics of the system. The first focuses on modeling the elastic joint's nonlinearities through a hybrid model. The second contribution aims to examine the accuracy of physics-informed neural networks for gray-box identification of friction parameters. All three studies use the data from the actuator assembly. Lastly, a framework to obtain the states of the assembly using video is proposed. From these estimations, a gray-box identification using video is proposed. The first two contributions obtained important results indicating the efficiency of the proposed methodologies. The third contribution showed the potential of the novel video-based identification approach. 

Tese: Framework de Integração de Otimização de Trajetórias Off-line e Controle Preditivo On-line para Robôs com Pernas

Aluno(a) : Leonardo Garcia Moraes
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Vivian Medeiros
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/06/2024
Local:

Resumo: Na última década, os robôs móveis com pernas ganharam notoriedade por sua capacidade de se movimentar com segurança em terrenos acidentados e superar obstáculos, como declives e escadas, podendo ser utilizados em mais aplicações em comparação com os robôs móveis com rodas. Novos desenvolvimentos que melhorem a robustez do planejamento de trajetória e o controle dinâmico de robôs com pernas são cruciais para o avanço desse campo. O objetivo deste trabalho é desenvolver um framework que integre otimização de trajetória off-line para robôs com pernas com Model Predictive Control (MPC) on-line, considerando o mapa de elevação do terreno. A otimização de trajetória é baseada na biblioteca de código aberto TOWR (Trajectory Optimization for Walking Robots), que emprega uma função contínua para representar o mapa do terreno. Para torná-la mais genérica, foi implementada uma interface que permite que mapas de elevação 2,5D sejam usados como representação do terreno. Além disso, as trajetórias geradas pelo TOWR são fornecidas como referências para um controlador MPC baseado na biblioteca de código aberto OCS2. As trajetórias otimizadas pelo MPC são então rastreadas por um Whole-Body Controller (WBC), que calcula os torques de atuação das juntas do robô. A estrutura é validada em simulações usando a dinâmica completa do robô, com diferentes tipos de terreno e sob perturbação externa. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/92009609569?pwd=NUo0bUZwbVhHeDJFNUtlYy90RzMzUT09    

Tese: Projeto, Simulação e Prototipagem de um Veículo Aéreo não Tripulado do tipo Multirrotor Omnidirecional

Aluno(a) : Fabio Pinheiro Cardoso
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e João Carlos Soares
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/29/2024
Local:

Resumo: Este trabalho apresenta o projeto, simulação e prototipagem para uma proposta um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) multirrotor omnidirecional, com os motores fixos e hélices bidirecionais. Essa configuração apresenta potencial de desempenhar manobras incomuns para as configurações convencionais (sub-atuadas), uma vez que podem ser sobre atuadas ou plenamente atuadas a depender da quantidade de moto-propulsores instalados. As configurações típicas de VANTs multirrotores convencionais normalmente dispõem seus motores alocados no mesmo plano e com seus eixos de rotação paralelos. Entretanto, a proposta discutida nesse trabalho possui seus conjuntos moto-propulsores dispostos em planos concorrentes e em posições tais que potencializam as forças e torques disponíveis, podendo assim propiciar trajetórias de movimentos inatingíveis para os multirrotores comuns. Essa dissertação então apresenta um estado da arte/técnica, visitando alguns trabalhos sobre VANTs omnidirecionais, que vão desde VANTs omnidirecionais com rotores de direção variável, até os multirrotores omnidirecionais com rotores fixos. Baseada nessa visão geral do problema é apresentado o desenvolvimento da modelagem matemática da plataforma aérea e de alguns dos seus subsistemas. Essa modelagem é seguida de simulações que auxiliam nas previsões e estimativas para o comportamento dinâmico do sistema. Essas informações são úteis para subsidiar os dimensionamentos de outros componentes como o "frame", o sistema de propulsão entre outros, além de estabelecer uma base de parâmetros para futuros testes do modelo físico do protótipo. Com base nas discussões anteriores um leiaute básico para a plataforma aérea é proposto e alguns aspectos de desempenho são avaliados. Por fim os resultados obtidos são analisados e, com base nestes, são propostos alguns trabalhos futuros. 

Tese: Development of an electromechanical actuator for downhole inflow control valves

Aluno(a) : Ricardo Naoyuki Alves de Moraes Sawaguchi
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/28/2024
Local:

Resumo: Brazilian Pre-Salt wells located in ultradeep water, capable of producing 70,000 barrels per day, have been, for years, strong candidates for electric, intelligent well completions as means to increase the recovery factor of the fields in Santos Basin. The present dissertation presents the studies and results that lead to the development of the prototype of an Electric Inflow Control Valve for 4-1/2" (114.3 mm) tubing string size, following a methodology for Technology Readiness Level progression and reliability. Environmental conditions, like operating pressures of up to 16,500 psi (113.8 MPa), temperatures up to 150 ºC (302 ºF) and differential pressure opening of 1,500 psi (10.3 MPa), were challenging to the tool design. Additionally, during the electric valve's prototype development, there was no technical specification for Electric Intelligent Well Completions, so standards like API 17F for the vibration of the embedded electronics boards were also followed. The tool was divided into physical modules as part of a development strategy. That revealed to be a good approach, as some of those demanding specifications were not for testing the fully assembled prototype in any Brazilian laboratory. Test fixtures for selected modules, which would later be integrated into the prototype, were developed so that those parts could be tested individually. The full-scale prototype was then fully assembled and mechanically tested to attend the specified operational static axial loads and cyclic loading and unloading. A second full-scale prototype was built to perform flow characterization and erosion tests. At the end of the development, a System Integration Test, with a spool of tube encapsulated cable simulating their predicted length in a field installation, was performed to prove the actuation and sensing functionalities of the two prototypes with the subsea control boards and human-interface machine. Methodology of all test and their results are described in this work.

Tese: Branching processes for epidemics’ study

Aluno(a) : João Pedro Xavier Freitas
Orientador(a): Roberta Lima e Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/29/2023
Local:

Resumo: This work models a epidemic's spreading over time with a stochastic approach. The number of infections per infector is modeled as a discrete random variable, named here as contagion. Therefore, the evolution of the disease over time is a stochastic process. More specifically, this propagation is modeled as the Bienaymé-Galton-Watson process, one kind of branching process with discrete parameter. In this process, for a given time, the number of infected members, i.e. a generation of infected members, is a random variable. In the first part of this dissertation, given that the mass function of the contagion's random variable is known, four methodologies to find the mass function of the generations of the stochastic process are compared. The methodologies are: probability generating functions with and without polynomial identities, Markov chain and Monte Carlo simulations. The first three methodologies provide analytical expressions relating the contagion random variable and the generation's size random variable. These analytical expressions are used in the second part of this dissertation, where a classical inverse problem of bayesian parametric inference is studied. With the help of Bayes' rule, parameters of the contagion random variable are inferred from realizations of the stochastic process. The analytical expressions obtained in the first part of the work are used to build appropriate likelihood functions. In order to solve the inverse problem, two different ways of using data from the Bienaymé-Galton-Watson process are developed and compared: when data are realizations of a single generation of the branching process and when data is just one realization of the branching process observed over a certain number of generation. The criteria used in this work to stop the update process in the bayesian parametric inference uses the L2-Wasserstein distance, which is a metric based on optimal mass transference. All numerical and symbolical routines developed to this work are written in MATLAB. Link da Defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/92839408623?pwd=ZlUwOWNFdnh1TFVBc1BZQTd5Szhvdz09 Meeting ID: 928 3940 8623 Passcode: 606906

Tese: Previsão do acúmulo de deformações plásticas em contornos de grãos de metais policristalinos baseado em Aprendizado de Máquina

Aluno(a) : Lara Cristina Pereira de Araújo
Orientador(a): Helon Ayala e Renato Vieira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/22/2023
Local:

Resumo: Atualmente, devido ao grande volume de dados de iniciação de trincas e fadiga que é possível obter a partir de informações do campo de mecânica dos sólidos e comportamento dos materiais, o uso de técnicas de aprendizado de máquina é cada vez mais utilizado para realizar diversos tipos de previsões. A motivação principal deste trabalho é o estudo do acúmulo de deformação plástica na escala de grãos, por meio da utilização do aprendizado de máquina. Esta alternativa pode ser uma significativa contribuição na direção de criar modelos capazes de prever o acúmulo de deformações. Desta forma o aprendizado de máquina se torna uma ferramenta capaz de ajudar a entender quais parâmetros físicos controlam o acúmulo de dano. O objetivo deste trabalho é prever o acúmulo de deformação plástica em contornos de grãos e propor um novo método de previsão de acúmulo de deformações plásticas em contornos de grãos de um material policristalino, usando modelos de aprendizado de máquina. Este trabalho é desenvolvido por meio de uma abordagem numérica, usando dados experimentais da literatura para estruturar três bancos de dados como amostras as quais são filtradas para identificar o contorno do grão. Como resultados pode ser observado que as previsões foram coerentes e de boa qualidade, com uma melhora dos valores médios do coeficiente de Pearson em torno de 17% em relação aos valores encontrados na literatura. Já para o coeficiente de determinação a média de valores alcançada ficou em torno de 0.85. Conclui-se que o uso do método de aprendizado de máquina se mostra confiável para prever acúmulo de deformação plástica no contorno do grão para um material policristalino. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/99612602567?pwd=aXprNnlTcUhSYm5UcWp5cFo5UUF3QT09 Meeting ID: 996 1260 2567 Passcode: 592385  

Tese: Influência da geometria e altura do relevo nas forças e tensões de cunhagem

Aluno(a) : Bruno Morais Bueno
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/12/2023
Local:

Resumo: A simulação computacional tem sido utilizada como ferramenta para otimizar processos de cunhagem e suportar o desenvolvimento de novos produtos neste setor. Compreender as forças e tensões que ocorrem durante o processo possibilita atuar de forma eficaz nas características do projeto, visando a redução de defeitos no produto e/ou o prolongamento da vida útil das ferramentas. Esta pesquisa teve como objetivo investigar a influência das características do relevo de uma medalha, no que se refere a sua geometria e altura, nas forças requeridas para a execução do processo e nas tensões geradas durante a cunhagem. Para isso, foi criado um modelo computacional 3D de uma medalha de curproníquel, validado por meio de comparação com dados experimentais de cunhagem. Os resultados demonstram que a metodologia experimental aplicada e o modelo desenvolvido neste trabalho previram com sucesso o fluxo de material de acordo com a força de cunhagem aplicada. Simulações adicionais revelaram que a geometria e a altura dos relevos influenciam diretamente nas forças e tensões. Por exemplo, um relevo com geometria triangular exigiu 66% mais força para ser delineado em comparação com um relevo circular com volume e profundidade equivalentes. Além disso, foi demonstrado que reduzir a altura do relevo em 20% poderia levar a uma redução de 16% na força. Discussões foram feitas a respeito da existência de Regiões Críticas de Cunhagem (RCC) na arte da medalha, caracterizadas por relevos altos e intricados. Essas regiões serão as últimas a serem delineadas e ditarão as forças requeridas e o patamar de tensões no produto. Link da defesa: Join Zoom Meeting https://puc-rio.zoom.us/j/99564171291?pwd=Z2NjZ0RGNFBIU3VleE1BK2NtUmdFQT09 Meeting ID: 995 6417 1291 Passcode: 186924

Tese: Visual SLAM in Dynamic Environments using Panoptic Segmentation

Aluno(a) : Gabriel Fischer Abati
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e João Carlos Soares
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/17/2023
Local:

Resumo: The majority of visual SLAM systems are not robust in dynamic scenarios. The ones that deal with dynamic content in the scenes usually rely on deep learning-based methods to detect and filter dynamic objects. However, these methods cannot deal with unknown objects. This work presents a visual SLAM system robust to dynamic environments, even in the presence of unknown objects. It uses Panoptic Segmentation filter dynamic objectsfrom the scene during the state estimation process. The proposed methodology is based on ORB-SLAM3, a state-of-the-art SLAM system for static environments. The implementation was tested using real- world datasets and compared with several systems from the literature, including DynaSLAM, DS-SLAM and SaD-SLAM. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/97387225930?pwd=SDFmenJ5SWthYXFLVkVWZWVKbG1SZz09

Tese: Switching receding-horizon approximate estimation and control of a flexible joint robotic manipulator

Aluno(a) : Lara Candido Alvim
Orientador(a): Helon Ayala e Elias Rossi
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/10/2023
Local:

Resumo: The advances in Robotics in recent decades allow a growing range of applications of robotic manipulators in various sectors of industry. This directly impacts the Human-Robot Interaction (HRI), resulting in an increase in tasks that require a shared work environment, safety performance, and the contact detection ability of the robotic manipulator. Consequently, control methods capable of predicting contact, and controlling force or trajectory to avoid damage during collisions become increasingly necessary either for safety or performance reasons. Separating the dynamics of a single-link manipulator into two modes, namely position control mode (free mode) and torque control mode (contact mode), the first part of this dissertation deals with the estimation problem of states for active mode detection through the implementation of the Moving Horizon State Estimation with Neural Networks (NNMHSE) method. The effectiveness of the proposed estimation method is evaluated by comparing the states and modes generated by the MHSE and those estimated by the Neural Network. This method presented a high coefficient of determination factor (R²), and a significant reduction in the processing time of the estimation algorithm. The second part of this dissertation deals with the position and torque switching problem for a non-linear robotic manipulator, applying Model-Based Predictive Control (MPC). The implemented switched MPC algorithm was able to effectively control both modes of the system, presenting low prediction error, even considering cyclical changes in the modes. Both methods prove to be suitable for controlling co-located robotic manipulators with humans or in unstructured environments through operation mode detection and position-torque switching control. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/97518786462?pwd=aStmdWljOXZURldsMnRFbCs0dmxHdz09

Tese: Projeto de estruturas celulares formadas por rede de treliças baseado em otimização topológica: modelagem, manufatura aditiva e análise experimental

Aluno(a) : Mariana Moraes Gioia
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/28/2023
Local:

Resumo: Materiais feitos com microestruturas arquitetadas possuem propriedades mecânicas ajustáveis e podem ser usados na obtenção de estruturas leves e, ao mesmo tempo, com máxima rigidez. Em estruturas treliçadas, por exemplo, pode-se variar o tipo de topologia e porosidade de modo que o material seja eficientemente distribuído no domínio de projeto. Devido às geometrias complexas destas estruturas, projetá-las usando ferramentas auxiliadas por computador é uma tarefa desafiadora. Neste trabalho, foi desenvolvida uma modelagem paramétrica no programa Rhinoceros usando a extensão Grasshopper para auxiliar na construção de modelos de estruturas treliçadas de densidade variável. A modelagem paramétrica desenvolvida permite definir a topologia e o diâmetro das barras das treliças que simplificam em muito a geração de modelos de sólidos porosos. Modelos de microestrutura foram gerados e fabricados em poliamida 12 por meio de sinterização seletiva a laser para se avaliar as treliças possíveis de serem impressas. O problema de uma viga biapoiada com carga concentrada no centro foi resolvido utilizando-se o método de otimização topológica e o campo espacial de densidades foi usado para geração do modelo de densidade variável. Considerando a mesma massa final dos modelos otimizados, modelos com densidade constante foram gerados e fabricados juntamente com os modelos de densidade variável. Foram realizadas análises experimentais por meio de ensaios de flexão em três pontos e os resultados mostram que a solução usando densidade variável tem um grande aumento da rigidez quando comparadas com as soluções com densidade uniforme.

Tese: Identificação de modelo híbrido baseado em Redes Neurais para dinâmica lateral de veículos militares

Aluno(a) : Camila Leão Pereira
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/28/2023
Local:

Resumo: O estudo da dinâmica lateral é de grande importância para análise do comportamento de um veículo durante manobras e fundamental para a implementação de sistemas de controle de estabilidade e de trajetória em veículos autônomos. Nesse contexto, baseado em medições experimentais de um veículo militar de três eixos durante manobras de mudança dupla de faixa a diferentes velocidades, o presente trabalho apresenta métodos de identificação de sistemas para obtenção de modelos lineares por meio da ferramenta CONTSID, disponível no MATLAB; de modelos não lineares baseados em Redes Neurais; e, por fim, a proposta de emprego de modelos híbridos com o intuito de minimizar o erro associado à primeira abordagem, somando-se ao modelo linear, o valor estimado do resíduo com a aplicação de redes neurais. Por se tratarem de modelos obtidos a partir de dados observados, como parâmetros de entrada e de saída do sistema foram selecionados o ângulo do volante e a taxa de guinada do veículo, respectivamente. Com a utilização do CONTSID, foi realizada a identificação das funções de transferência para cada velocidade, o que possibilitou a análise da influência dessa variável no comportamento dinâmico do sistema. Em seguida, empregou-se uma abordagem via redes neurais ao mesmo conjunto de dados, com a construção de arquiteturas distintas por meio da modificação do número de neurônios, número de camadas e função de ativação. Por fim, um modelo híbrido é combinado utilizando-se a modelagem linear e não linear para obtenção de melhorias na resposta do modelo final estimado. De acordo com os resultados, as técnicas empregadas apresentaram viabilidade de aplicação e resultados satisfatórios, destacando-se o aprimoramento do modelo linear por meio de sua substituição pelo modelo híbrido baseado em redes neurais. Do exposto, objetiva-se apresentar os potenciais dos métodos apresentados e, posteriormente, esses estudos podem ser aprofundados para implementação de malhas de controle veicular, com o intuito de contribuir com o aumento da segurança, melhoria do conforto e no desenvolvimento de veículos autônomos. Link da defesa: https://puc-rio.zoom.us/j/98219518083?pwd=RUZ6V25zYlh1Y0VPcFFoamRmQ2JmZz09

Tese: Análise de modos de falha na parede de poços de petróleo durante a perfuração

Aluno(a) : Anderson Raniere Sobral da Silva
Orientador(a): Arthur Braga e Wellington Campos
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/27/2023
Local:

Resumo: A perfuração de poços de petróleo envolve diversas fases. Com o avanço da tecnologia é possível explorar em águas ultra profundas com lâmina d’água acima de 1500 metros de profundidade, com isso uma série de medidas precisam ser tomadas para que eventos catastróficos não ocorram durante a perfuração, eventos estes que podem gerar danos irreversíveis ao meio ambiente, multas altíssimas e expor a vida de centenas de pessoas. Dos eventos indesejados durante aperfuração,destacamos as instabilidades nas paredes dos poços, eventos como este podem gerar desmoronamentos devido à baixa pressões internas ou rupturas das paredes dos poços devido altas pressões. Com base nos modos de falha dos poços citados acima, o fluido de perfuração (ou lama) tem o objetivo de manter a pressão ideal no poço, sustentar suas paredes evitando desmoronamento, não somente isto, mas também remover os detritos ou cascalhos das rochas perfuradas, lubrificar e resfriar a broca. O presente trabalho buscou analisar o comportamento da parede dos poços quando submetidos a pressões que geram instabilidades e levam os poços a falhas irreversíveis, o método utilizado para mitigar os riscos foi o critério de falhade Mohr-Coulomb e o desenvolvimento foi elaborado via métodos numéricos, mais específico em código de programação na linguagem Python onde foi possível realizar simulações quevisavam monitorar a estabilidade dos poços, demonstrando as áreas mais seguras e calculando as tensões atuantes durante a perfuração.

Tese: Plastic stress concentration effects in fatigue strength

Aluno(a) : Mengen Liu
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/27/2023
Local:

Resumo: Elasto-plastic stress gradient factors ahead of notch tips are used to evaluate actual notch effects in fatigue strength, quantified by fatigue stress concentration factor . Usually, it is smaller than the linear elastic stress concentration factor of the notch, , due to material tolerance to non-propagating short cracks. Considering that local plasticity around notch tips plays a significant role in the growth behavior of short cracks within the notch plastic zone, a sound mechanical methodology is proposed to account for the effects of elasto-plastic stress and strain fields in the actual value. Two-dimensional finite element analyses are conducted to compute stress intensity factors of smooth and notched specimens. Ramberg-Osgood model and Neuber’s rule are used to achieve approximations for strain-based intensity factors. For methodology validation, numerical predictions are compared to experimental stress-life data of center, U, and V-notched plate specimens made of different materials and tested under uniaxial load ratios of 1, 0, and 0.1 collected from the literature. The comparisons show good agreement proving that the elasto-plastic solution provides more accuracy than the linear elastic one. The most discrepant results are obtained at load ratios of 0 and 0.1, and they can be significantly improved if non-zero mean stress effects are considered.  

Tese: Stability analysis applied to mechanical, electromagnetic and electromechanical systems with parametric excitation

Aluno(a) : Natasha Barros de Oliveira Hirschfeldt
Orientador(a): Roberta Lima e Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/24/2022
Local:

Resumo: Parametric excitation is a type of excitation that arises from time-varying coefficients in a system’s dynamics. More specifically, this dissertation deals with time-periodic coefficients. This type of excitation has been an extended topic of research from the fields of mechanics and electronics to fluid dynamics. It appears in problems involving dynamical systems, for example, as a way of controlling vibrations in self-excited systems, making this subject worthy of more investigations. By approaching stability in the sense of Lyapunov, this dissertation provides a didactic stability background from basic concepts, such as equilibrium points and phase diagrams, to more advanced ones, like parametric excitation and Floquet theory. The objects of study here are linear systems with time-periodic parameters. Floquet theory is used to make stability statements about the system’s trivial solutions. Several examples are discussed by making use of a developed numerical procedure to construct stability maps and phase diagrams. The examples presented herein encompass mechanical, electromagnetic and electromechanical systems. By making use of stability maps, several features that can be discussed in stability analysis are approached. Two different strategies to evaluate the stability of trivial solutions are compared: Floquet multipliers and the maximum value of Lyapunov characteristic exponents.

Tese: Validação de Modelos de Dano por Fadiga Multiaxial Utilizando a Abordagem de Plano Crítico

Aluno(a) : Murilo Oliveira Sousa
Orientador(a): Jaime Tupiassú e Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/27/2022
Local: por acesso remoto

Resumo:

Um componente mecânico quando submetido a carregamentos cíclicos pode falhar mesmo se a tensão aplicada nele for inferior à sua resistência ao escoamento. Uma das causas para isso acontecer no componente é a ocorrência de fadiga. Fadiga é uma falha
mecânica causada por carregamento cíclico e tem como característica a iniciação e/ou o crescimento paulatino de trinca. Nesse contexto, as cargas de serviço podem ser aplicadas em um ou vários pontos de um componente estrutural. Elas podem ser geradas por apenas uma ou por múltiplas fontes, em fase ou fora de fase. Em geral, tais cargas causam esforços de flexão, torção, normais e/ou de cisalhamento que, quando combinados, podem gerar tensões multiaxiais no(s) ponto(s) crítico(s) da peça. Nesta última situação, é preciso usar metodologias de fadiga multiaxial para reproduzir, de forma correta, a física do problema. Quando se trata de fadiga multiaxial e em componentes metálicos, é adequado usar o modelo de plano crítico. Por meio dele, é possível mensurar o dano acumulado em diferentes planos que cruzam a superfície do componente. Para fazer uma análise de fadiga multiaxial, é importante ter um programa computacional robusto capaz de reproduzir as principais metodologias de cálculo. Pensando nisso, esta dissertação tem como objetivos desenvolver um código de fadiga multiaxial capaz de calcular o dano acumulado por fadiga em diferentes planos de um ponto de uma determinada peça, além de testar e comparar os principais modelos de fadiga multiaxial usados no enfoque de plano crítico. Esta comparação é baseada em dados de materiais coletados da literatura e
simulações feitas pelo código desenvolvido.

 

Tese: Ajuste ótimo por Levenberg-Marquardt de métodos de previsão para iniciação de trinca

Aluno(a) : Gabriela Wegmann Lima
Orientador(a): Jaime Tupiassú e Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/07/2022
Local:

Resumo: A grande maioria das estruturas que trabalham sob cargas alternadas precisa ser dimensionada para evitar a iniciação de trincas por fadiga, o principal mecanismo de dano mecânico nesses casos. Os vários parâmetros dos modelos de previsão de dano à fadiga usados nesses projetos devem ser preferencialmente medidos a partir do ajuste otimizado de suas equações a dados experimentais medidos de forma adequada. Na realidade, a precisão das previsões baseadas nesses modelos depende diretamente da qualidade dos ajustes utilizados para obtenção desses parâmetros. Sendo assim, o objetivo principal deste trabalho é estudar a melhor maneira de se obter os parâmetros dos principais modelos de previsão da iniciação de trincas por fadiga através de ajustes de dados experimentais baseados no algoritmo de Levenberg-Marquardt. Primeiro, foram realizados diversos ensaios εN em uma liga de alumínio 6351-T6 para averiguar o desempenho do ajuste proposto para as equações de Coffin-Manson e de Ramberg- Osgood. Em seguida, foram usados dados da literatura de outros oito materiais para ajustar modelos deformação-vida clássicos, assim como com o expoente de Walker, para assim avaliar o efeito de cargas médias não-nulas em testes εN. Por fim, foi estudado o ajuste de um modelo SN com expoente de Walker que considera limites de fadiga e efeitos de carga média. Esse estudo também inclui considerações estatísticas para quantificar o fator de confiabilidade a partir de diferentes hipóteses de funções densidade de probabilidade, baseadas em dez conjuntos de dados da literatura.

Tese: Structural topology optimization with many load cases: stochastic approximation and singular value decomposition approaches

Aluno(a) : Lucas do Nascimento Sagrilo
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/07/2022
Local:

Resumo: It is known that most real structures are subject to different loading scenarios, related to different structural solicitations and the action of natural forces, such as winds and sea waves. In this context, it is important to consider the effect of the largest number of possible scenarios that can act on a structure when performing a topology optimization study. The traditional way of solving this type of problem involves a case-by-case analysis of the scenarios, which in the context of a structural optimization algorithm requires the solution of one finite element problem for each scenario and at each step of the algorithm, being limited by the high associated computational cost.  This limitation leave room for approaches based on dimension reduction such as stochastic approximation and decomposition into singular values. This work verifies the feasibility of using these two approaches to solve structural topology optimization problems with many load cases. Two applications are presented, robust optimization and the problem of dynamic loads using the equivalent static loading method. Thus, situations involving more complex loads can be studied through efficient topology optimization algorithms. For both cases, comparisons are established between the results obtained through the methodology developed in this work and the ones from the literature.  

Tese: Projeto e acionamento de um robô lagartixa pneumático com aplicação de aprendizado computacional

Aluno(a) : Matheus Rodrigues Goebel
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Giovane Quadrelli
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/06/2022
Local:

Resumo: Este trabalho apresenta um projeto mecânico de um robô lagartixa pneumática, capaz de se locomover em superfícies inclinadas em relação ao solo, através apenas de atuadores lineares que utilizam o ar comprimido como fonte de energia. Como parte fundamental do projeto mecânico neste trabalho, um sistema de garra é desenvolvido gerando vácuo mecanicamente, para haver uma economia de consumo energético no robô em comparação com os acessórios comerciais geralmente utilizados para esta tarefa de fixação. Com o protótipo de conceito fabricado e montado, o mesmo é submetido a uma bateria de testes com o intuito de posteriormente aplicar os dados obtidos em uma rede neural artificial, visando o aprendizado computacional dos movimentos do robô e, assim, sua otimização de velocidade em determinada sequência de movimentação. Após o treinamento desta rede neural, o protótipo é submetido a novos experimentos para verificar a eficiência do treinamento realizado e qual o impacto real obtido no robô. Finalmente, com a utilização de um sistema de câmeras, os deslocamentos do robô em diversas situações distintas são rastreados, visando gerar gráficos comparativos e analisar a repetibilidade e confiabilidade do sistema.  

Tese: Predicting dry gas seals reliability with machine learning techniques developed from scarce data

Aluno(a) : Matheus Hoffmann Brito
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/19/2022
Local:

Resumo: The correct equipment operation in the Oil and Gas (O&G) industry is essential to mitigate environmental, human, and financial losses. In this scenario, dry gas seals (DGS) of centrifugal compressors were studied, as they are identified as the most critical device due to the extent of the caused damage. In this study, regression models were developed using machine learning (ML) techniques from scarce data to replace numerical simulations in predicting the operational reliability of DGSs. First, a model based on Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation was validated to represent the gas flowing between the sealing faces, to enable the calculation of the equipment’s operational reliability. Thus, the open-source CFD software OpenFOAM was used together with the substance database of the software REFPROP, to allow the user to define the gas mixture and the evaluated operational conditions. Then, two case studies were carried out following a proposed generic workflow. The first comprised determining a regression model to estimate the reliability of a DGS whose mixture composition is fixed but its operating conditions can vary. The second consisted of determining a more robust regressive model, where both the mixture composition and the operational conditions can vary. Finally, the feasibility of implementing both models under real operating conditions was evaluated.

Tese: Vibration monitoring of mechanical systems using deep and shallow learning on edge-computers

Aluno(a) : Carolina de Oliveira Contente
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/12/2022
Local:

Resumo: Structural health monitoring has been the focus of recent developments in the field of vibration-based assessment and, more recently, in the scope of internet of things as measurement and computation becomes distributed. Data has become abundant even though the transmission is not always feasible at higher frequencies needed for proper assessment, especially in remote applications such as pipelines, subsea, and smart fleets. It is thus important to devise data-driven model workflows that ensure the best compromise between model accuracy for condition assessment and also the computational resources needed for embedded solutions, a topic that has not been widely used in the context of vibration-based measurements. Vibration measurements are used to monitor static and rotating machines since they are sensitive to faulty conditions. In this context, the present research proposes two approaches for two applications being a static and a rotating one: in the first one a modeling workflow able to reduce the dimension of autoregressive models built on the basis of many acceleration sensors was proposed. The three-story building example was used to demonstrate the effectiveness of the method, together with ways assess the best compromise between accuracy and model size. Hoping to point future research directions of embedded computing, predictive analytics, and vibration based structural health monitoring, in order to ensure that the models created can be conveniently deployed while optimizing costs for computing infrastructure; and the second approach where a test rig composed of rotating inertias and slender connecting rods is used, and the monitoring solution was tested in an embedded GPU-based platform. Principal component analysis and deep autoencoder models were implemented to distinguish nominal and abnormal friction states effectively. Shallow models perform better concerning running time, memory usage, and accuracy in detecting faulty conditions, which is essential for monitoring rotating machines in real-time.    

Tese: Análise estocástica da propagação de uma doença de caráter epidemiológico

Aluno(a) : Beatriz de Rezende Barcellos Borges
Orientador(a): Roberta Lima e Rubens Filho
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/08/2021
Local:

Resumo: Este trabalho analisa a propagação de uma doença epidemiológica com uma abordagem estocástica. Na análise, o número de indivíduos que cada membro infectado da população pode infectar é modelado como uma variável aleatória e o número de indivíduos infectados ao longo do tempo é modelado como um processo estocástico de ramificação. O foco do trabalho é caracterizar a influência do modelo probabilístico da variável aleatória que modela o contágio entre indivíduos na disseminação da doença e na probabilidade de extinção, e analisar a influência de uma vacinação em massa no controle da propagação da doença. A comparação é feita com base em histogramas e estatísticas amostrais do número de indivíduos infectados ao longo do tempo, como média e variância. Os modelos estatísticos referentes à parte que trata de uma população não vacinada são calculados usando simulações de Monte Carlo para 3 diferentes famílias de variáveis aleatórias: binomial, geométrica-1 e geométrica-0. Para cada família, 21 distribuições diferentes foram selecionadas e, para cada distribuição, 4000 simulações do processo de ramificação foram computadas. Os modelos estatísticos referentes a uma população parcialmente vacinada foram calculados usando simulações de Monte Carlo para a família de variável aleatória binomial. Para essa família, 21 distribuições diferentes foram selecionadas e, para cada uma delas foram escolhidas 6 diferentes percentagens de população vacinada. Para cada percentagem, foram analisadas vacinas com 4 diferentes eficácias. No total, foram realizadas 2.2 milhões de simulações, caracterizando o problema como big data.  

Tese: Avaliação de componentes sob carregamento quase estático usando termografia por infravermelho

Aluno(a) : Luiz Cezar Mendes da Silva
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/07/2021
Local:

Resumo: A termografia por infravermelho (TIV) tem sido usada como ferramenta de avaliação não destrutiva para detectar falhas em componentes estruturais, desempenhando um papel importante nos programas de inspeção, de fabricação e manutenção. A TIV também pode ser aplicada para avaliar limites de fadiga para materiais estruturais a partir de testes de tensão cíclica uniaxial ou de tração uniaxial quase-estáticos. Recentemente, o método quase-estático para medir o limite de fadiga via TIV, foi estendido para estados de tensão biaxial atuando na superfície de corpos de prova de tamanho real de dutos com anomalias geométricas. Os resultados mostraram que o método biaxial quase-estático previu satisfatoriamente a localização de pontos críticos para a iniciação da fadiga em espécimes tubulares com mossas. Neste trabalho, as distribuições de tensões e deformações nos pontos críticos foram determinadas usando correlação de imagens digitais (DIC), aplicada a sete espécimes “dog bone”, padrão uniaxial, e oito espécimes de dutos de três metros de comprimento com tampas de cabeça plana fabricados a partir de tubos de aço API 5L Grau B. A determinação do estado de deformação superficial via DIC e a determinação das variações de temperatura correspondentes para os pontos do material de superfície observados ao longo dos testes, permitiram determinar não apenas o limite de resistência ao escoamento do material, mas também o que conveniou-se chamar de temperatura mínima característica (TMC). Os testes uniaxiais usando espécimes “dog bone” para o mesmo material indicam que as TMCs medidas estão intimamente relacionadas com o limite de escoamento do material (MYS). Esta pesquisa destaca as observações experimentais relacionadas às medidas de tensão-deformação-temperatura no início do escoamento em pontos observados em ensaios uniaxiais e biaxiais. O objetivo deste trabalho é usar o monitoramento da temperatura de estruturas sob carga crescente quase-estática para prever a que “distância”  do início do MYS estão os estados de tensão dos pontos observados.  

Tese: Nonlinear Dynamic Behavior of Oil-Well Drill Strings

Aluno(a) : Luiz Pereira Aguiar Neto
Orientador(a): Ivan Menezes e Ludimar de Aguiar
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/07/2021
Local:

Resumo: This work studies the nonlinear dynamic behavior of oil well drillstring, which is a long slender flexible structure responsible for the drilling. Its elements and functions are presented, and numerical analyses are performed later. The work develops a computational code using the software MATLAB® for the numerical simulation of the column’s dynamic behavior using the finite element method. The corotational formulation is used for the implementation of geometric nonlinearity. The structure's discretization uses a beam element with six degrees of freedom per node and employs Euler-Bernoulli’s beam formulation. The Newton-Raphson method is responsible for solving the nonlinear system of equations. In addition, the solution procedure users the Newmark method for the time integration of the problem’s movement equations. A linear setup spring model is proposed to represent the contact between the borehole wall and the column. The proposed methodology and computational code capabilities are evaluated by comparing some results to analytical or numerical results of examples available in the literature. These results give reliability to analyze drillstring problems, which present the displacements and forces time series of the whole column and the buckling modes generated. The results show that the column is very sensitive to any boundary condition changing, which corroborates the complexity of the problem. Hence, the work proposes a reasonable basis for further developments, allowing the entire coupled drillstring analysis.  

Tese: Caracterização da comunicação entre transdutores ultrassônicos piezocerâmicos sob influência da deformação mecânica e da variação de temperatura

Aluno(a) : Isabel Giron Camerini
Orientador(a): Arthur Braga e Paula de Gouvêa
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/29/2021
Local:

Resumo: Ondas acústicas, sônicas ou ultrassônicas, podem ser empregadas para a telemetria sem fio como alternativa a sistemas eletromagnéticos, transferindo dados e energia ao longo de um canal formado por uma ou mais camadas de sólidos elásticos ou fluidos acústicos. Um exemplo é a interrogação de sensores passivos através de uma parede metálica. Nesta configuração, pelo menos um transdutor acústico é fixado em um lado da parede (face externa), onde uma fonte de alimentação elétrica é disponível. No lado oposto (face interna), onde os sensores estão instalados, são fixados um ou mais transdutores. Na maioria das aplicações estes transdutores são cerâmicas piezelétricas que geram e recebem sinais ultrassônicos. Ondas acústicas ultrassônicas se propagam ao longo do sólido elástico, transferindo energia e dados entre as duas faces, possibilitando a alimentação e interrogação dos sensores. Este tipo de configuração pode ser empregado em aplicações onde o uso de penetradores elétricos ou ópticos não é recomendado. Entretanto, a resposta das piezocerâmicas pode sofrer influências de variações de temperatura e da própria deformação mecânica da parede metálica na qual são fixados. O presente trabalho procurou quantificar a influência da deformação mecânica e da variação de temperatura na comunicação entre dois transdutores piezocerâmicos ultrassônicos, aderidos à uma placa metálica por meio de adesivo epóxi. No estudo, tomou-se como parâmetro quantitativo o sinal S21, que é o logaritmo da razão entre a potência recebida pela saída do sistema (face interna da parede) pela potência transmitida pela entrada (face externa da parede). O trabalho apresenta comparações entre resultados experimentais e simulados através de um modelo numérico de elementos finitos desenvolvido no COMSOL Multiphysics®. Os ensaios experimentais foram realizados com pastilhas piezocerâmicas circulares, do tipo PZT4, com diâmetro e espessura de 25 e 2 mm, respectivamente. Os transdutores foram fixados, de forma concentricamente alinhada e por meio de um adesivo epóxi, nas duas superfícies de uma placa de aço inoxidável AISI 316 L com 6 mm de espessura. O trabalho apresenta tabelas e funções para a amplitude do sinal S21 na frequência onde a transferência de potência é maximizada. Para os casos estudados, observou-se que a frequência ideal muda muito pouco com a temperatura ou a deformação da placa sobre a qual os transdutores são fixados, permanecendo com valores entre 0,988 e 0,995 MHz em todas as condições avaliadas. Em função da deformação da placa metálica, a amplitude do sinal S21 também variou muito pouco, de -3,70 para -3,14 dB, desde a condição indeformada da placa até a máxima deformação aplicada, que foi de 1250 µm/m. Quanto à variação com a temperatura, na faixa de 30 a 100 ˚C, mais uma vez observou-se apenas um pequeno aumento de 0,8 dB na amplitude do sinal S21. Entretanto, para temperaturas acima de 100 ˚C, o sinal passa a cair rapidamente. Em nenhuma das condições estudadas neste trabalho foi observado prejuízo na transferência de potência entre os transdutores, indicando que este tipo de comunicação pode ser uma alternativa robusta ao uso de penetradores elétricos.  

Tese: Otimização da Configuração Geométrica de Risers usando o Método de Otimização Bayesiana

Aluno(a) : Nicholas de Araujo Gonzalez Casaprima
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/07/2021
Local:

Resumo: Os risers são importantes componentes na produção e exploração de petróleo e derivados. São responsáveis pelo transporte do óleo encontrado no reservatório até a Unidade Estacionária de Produção. A crescente demanda por esse produto faz com que a exploração seja feita em regiões com condições cada vez mais adversas. Tipicamente, um projeto deste porte exige um número muito grande de análises numéricas de elementos finitos e exigem uma experiência grande por parte do projetista a fim de obter uma solução viável. Esse desafio leva engenheiros a buscarem ferramentas consistentes e seguras que auxiliem nas etapas iniciais do projeto das configurações de risers e que sejam capazes de diminuir o número de análises totais exigidas. Uma dessas ferramentas éa utilização de métodos de otimização para obter de maneira consistente e segura os parâmetros que definem uma configuração. Este trabalho apresenta o método de Otimização Bayesiana, um método baseado em técnicas de aprendizado de máquina capaz de resolver problemas de otimização do tipo caixa-preta, de maneira eficiente, explorando o uso de aproximações analíticas da função objetivo, que se deseja otimizar. O método é aplicado em diferentes estudos de casos visando validá-lo como capaz de resolver uma gama de problemas de configuração de riser de maneira eficiente e consistente. Dentre os problemas aplicados estão diferentes configurações, diferentes casos realistas, mono-objetivos e multi-objetivos.  

Tese: 3D Numerical Elastoplastic Analysis of Stress and Strain Distributions Around Crack Tips

Aluno(a) : Mateus Bastos Neiva
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/05/2021
Local:

Resumo: In structure life prediction analysis occurrence of crack defects are of paramount importance to be considered. Basic studies using the Linear Elastic Fracture Mechanics approach shows that Stress Intensity Factor (SIF) parameter controls Fatigue crack growth (FCG). However, overloads may induce material “memory effects” that delay, arrest or accelerate FCG rate, a behavior not described by considering a single elastic parameter. To account for service variable amplitude loadings, the use of a prescribed stress-strain distribution has been proposed, in recent research studies, as the driving force of FCG using the critical damage approach. Due to the assumptions considered in the analytical derivations, the solutions provided by the method violate important equilibrium and compatibility conditions specially as using an idealized singular stress-strain field at the crack front region. In this work a comprehensive review of the recently published analytical results for solutions under the elastic and elastoplastic material behavior regimens are presented: Williams and HRR with singular stress distribution field and Creager-Paris with a non-singular stress field, but with material elastic approach. These solutions are compared, throughout the study, to results obtained from the numerical analysis using a 3D finite element discretization with elastoplastic von Mises yielding criteria employed for the modeling of the crack tip blunt and some comprehensive conclusions are derived regarding application limits of the theoretical models as well as the required extent of the numerical model representation. In addition to monotonic increasing applied loads, unloading was also considered in the numerical analysis, although no reference to this condition is present in the literature considering the analytical approach. For the numerical simulations considered elastoplastic algorithms were implemented in a plugin based framework.  

Tese: Development of a plugin based simulator for wellbore stability analysis and mud weight window optimization

Aluno(a) : Henrique Reis Santiago
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/30/2021
Local:

Resumo: Well planning presents a major challenge in the oil & gas industry. Wellbore stability analysis is one of the most important steps during well planning and provides the technical basis for a safe drilling operation. Therefore, to be able to comprehend and to predict the physical response of wells is extremely valuable to drilling engineers. In order to achieve wellbore stability, drilling operators control, among other factors, the internal wellbore pressure using the perforation mud weight. The mud pressure is used to balance the stresses at the wellbore region and its value must remain inside a stable window to ensure a safe operation. In this work, we propose a novel simulator to perform wellbore stability analysis and to compute the optimal mud pressure window. The simulator is based on a plugin architecture, which provides a more flexible environment to develop and to extend the simulator or even perform different analyses by exchanging one or more plugins. The ideal internal pressure and mud weight window are computed by solving a root-finding problem based on different failure criteria for the well. The simulator uses the Finite Element Method to solve each geomechanical analysis during the solution procedure, assuming the fluid-mechanical coupling and elastoplastic behavior around the wellbore. The simulator was validated using various examples and wellbore stability analyses were performed on a set of case studies from the literature.  

Tese: Nonlinear Black-box Identification of Piezoelectric Systems

Aluno(a) : Matheus Patrick Soares Barbosa
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/26/2021
Local:

Resumo: Actuators based on piezoelectric materials are portable, manage small displacements while maintaining high resolution, frequency and stiffness. Those properties make them ideal for application such as acoustic transmission and micromanipulation. But inherent nonlinearities to those actuators, such as hysteresis and creep, greatly increases the challenge to control such devices. Furthermore, the increasing need for more precise and faster actuators, allied with frequent changes in the environmental conditions and complex dynamics related to the mechanical displacement induced by the excitation signal fur-ther worsens the problem. Analytical models are application-specific, mean-ing that they are not easily and efficiently scalable to all systems. Also, with increased complexity, the understating of underlying phenomena is not fully documented, making it difficult to develop such models. This work investigates those challenges from the perspective of the system identification methodology and data-driven models for piezoelectric actuators. Those are powerful tools that vary considerably according to the modeling criteria and the black-box approach is tested with experimental data acquired in a laboratory setting for a micromanipulator and acoustic transmission test benches. The results show good capabilities to compensate the nonlinearities for the micromanipulator, by predicting the hysteresis at different input frequencies. The acoustic trans-mission system was successfully modeled and although the results show that are still room for improvements, it provides insights in possible optimizations for the setup as the models here devised are useful for short prediction win-dows. Furthermore, this encourages further research in the pursuit of better data-driven abstractions for the piezoacoustic transmission and micromanipu-lation applications.  

Tese: Ensemble Grey and Black-box System Identification for Friction Models

Aluno(a) : Walisson Chaves Ferreira Pinto
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/24/2021
Local:

Resumo: The mathematical abstraction of a physical process is essential in engineering problems. There are many reasons for developing mathematical models of existing systems: i) for security and/or economic reasons, as it may be impractical or impossible to carry out experiments on the real system, ii) mathematical models are more flexible than physical prototypes, allowing a quick refinement of system designs to optimize various performance measures. The applications of the models can be divided into four parts, namely: design, estimation, control and monitoring. Some specific applications are i) simulations, ii) soft sensors, iii) performance evaluation, iv) statistical quality control and, v) fault detection and diagnosis. This work aims to: i) develop different classes of models capable of accurately simulating the output variable of a system, ii) evaluate the efficiency of optimization algorithms used in the parameter estimation task, iii) assess which friction model is the most appropriate to describe this phenomenon in a positioning system. The results show that combining models is an effective alternative to obtain more accurate simulation results. Nonlinear friction models were more adequate to describe this phenomenon, which had an asymmetric character, in the positioning system. In addition, the simulations performed with parameters estimated by the evolutionary algorithms showed better results. The decision tree-based optimizer, used in the second case study, proved to be equally effective compared to evolutionary algorithms.  

Tese: Guided waves-based structural damage evaluation with machine learning

Aluno(a) : Mateus Gheorghe de Castro Ribeiro
Orientador(a): Helon Ayala e Alan Kubrusly
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/09/2020
Local:

Resumo: Recently ultrasonic guided waves have shown great potential for nondestructive testing (NDT) and structural health monitoring (SHM) in a damage evaluation scenario. Measurements utilizing elastic waves are particularly useful due to their capability to propagate in different materials such as solid and fluid bounded media, and, also, the ability to cover broad areas. When enough guided waves measurements are available and advanced data-driven techniques such as machine learning can be applied to the problem, the damage evaluation procedure becomes then even more powerful and robust. Based on these circumstances, the present work deals with the application of machine learning models to provide fault evaluation inferences based on ultrasonic guided waves information. Two main case studies are tackled in the mentioned subject. Firstly, a carbon fiber reinforced polymer (CFRP) plate is assessed using open data of Lamb guided wave signals in the detection of dot type defects. Results demonstrated that a baseline dependent approach can obtain excellent results when using system identification feature extraction. Secondly, corrosion-like defects in an aluminium plate are classified according to its severity. The methodology is assisted by a mode separation scheme of SH guided waves signals of pre-acquired data. The achievement on the matter has proved that the adoption of mode separation can in fact improve the machine learning results.  

Tese: Topology optimization of hyperelastic structures based on interpolation methods

Aluno(a) : Vinicius Oliveira Fontes
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/30/2020
Local:

Resumo: The optimized design of structures considering nonlinearities has been widely reasearched in the recent decades. The finite element analysis applied to topology optimization is jeopardized from excessive deformation of low-density elements under high compression, which hinders the process of finding an optimal solution. Two methods, Energy Interpolation and Additive Hyperelasticity, are implemented to overcome this difficulty in the minimum compliance problem, and hyperelastic material models are used to investigate their influence on the optimized topology. The Method of Moving Asymptotes is used to update the design variables whose sensitivities were calculated from the adjoint method. The state equation is solved through the Newton-Raphson method with an adjusting load step to reduce computational cost. Results for two benchmark problems are compared with those already estabilished in the literature. The use of different hyperelastic models presented little influence on the final design of the structure. The Energy Interpolation method was able to converge for much higher loads than the default method, while Additive Hyperelasticity did not show any significant improvements on plane strain.  

Tese: Análise de sensibilidade de variáveis de reservatório em simulador de escoamento em meio poroso de dupla porosidade e permeabilidade

Aluno(a) : Ricardo Dória Loyola-Camorim
Orientador(a): Ivan Menezes e Marcos Vitor Machado
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/31/2020
Local:

Resumo: A camada geológica da costa brasileira conhecida como Pré-sal possui diversos reservatórios de petróleo cuja explotação encontra-se no início. Com o fim de explorar essas jazidas de forma mais segura e rentável, é essencial representá-las corretamente.Entretanto, não é uma tarefa simples. As rochas carbonáticas, típicas do Pré-sal, recorrentemente apresentam fraturas e carstes e o escoamento através dessas estruturas se comporta de forma diferente à da modelagem tradicional. Para solucionar o problema, desenvolveram-se técnicas que representam o fluxo através das demais mídias da rocha. No entanto, essas modelagens inserem diversas complexidades novas para a correta compreensão das formações e da previsão da produção. Nesse trabalho são analisados os impactos que as variáveis de reservatório têm no resultado das simulações com dupla permeabilidade.  

Tese: Comparação de Técnicas de Planejamento de Trajetórias para Robôs Móveis Autônomos

Aluno(a) : Arnaldo Roberto Rady Peron
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/30/2020
Local: por acesso remoto

Resumo:

A robótica móvel tem desempenhado um papel cada vez maior na sociedade moderna. Para cumprir suas tarefas, usualmente é necessário que os robôs móveis sejam capazes de navegar autonomamente pelo ambiente, partindo de um determinado local e chegando a um objetivo, evitando colisões. Uma etapa importante desse processo envolve a decisão dos caminhos a serem percorridos pelo robô ao longo de um mapa conhecido, que é executada por um programa chamado planejador de trajetórias. Muitos planejadores estão disponíveis na literatura, cada um com suas particularidades e aplicações. Esta dissertação apresenta um estudo comparativo entre cinco planejadores de trajetórias: Algoritmo de Dijkstra, Dynamic Programming, Probabilistic Roadmap (PRM), Rapidly-exploring Random Tree (RRT) e Hybrid A*, no qual são avaliados os tempos de processamento, os números de passos e os comprimentos das trajetórias resultantes. O estudo é executado por meio de simulações no ambiente MATLAB em três mapas diferentes, com objetivos diversos: o primeiro avalia a capacidade de se planejar uma trajetória em um ambiente complexo com múltiplos caminhos; o segundo testa a capacidade do planejador de evitar maiores obstáculos e lidar com passagens estreitas; e o último mapa, composto por longas retas e curvas abertas, tem o objetivo de avaliar o comportamento dos planejadores em trajetórias mais extensas. Cada planejador é submetido a séries de simulações em cada mapa, sendo que em cada uma alteram-se também suas características, para uma análise de sensitividade. Os melhores resultados de cada planejador para cada critério permitem identificar as principais vantagens e desvantagens de cada um.

 

Tese: Analytical solution for the propagation of guided acoustic waves in multilayered cylinders applied to through-tubing cement bond logging in oil wells

Aluno(a) : Tiago de Magalhães Correia
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/25/2020
Local:

Resumo: Em poços de petróleo, uma boa cimentação é fundamental para garantir o suporte estrutural do revestimento e isolar o poço de águas subterrâneas. A alteração das propriedades e o surgimento de defeitos no cimento podem levar a vazamentos e danos ambientais. Durante a desativação e o abandono do poço em operações conhecidas como P&A (Plug & Abandonment), é necessário avaliar a condição do cimento assim como a identificação de possíveis defeitos. Desde 1950, ferramentas de perfilagem acústica capazes de analisar a condição do cimento vem sendo desenvolvidas e aprimoradas. As ferramentas mais famosas foram a “Cement Bond logging Tools” (CBT), baseada na técnica de operação CBL (Cement Bond Logging) e VDL (Variable Density Logging), e a “Cement Evaluation Tools” (CET). Contudo, essas ferramentas foram projetadas para operar somente em configurações com um único revestimento e sem a coluna de produção. Remover a coluna de produção é um processo caro, por isso, um desafio na indústria que permanece até os dias atuais é a criação de uma ferramenta capaz de operar em poços sem a necessidade de se remover a coluna de produção visando a redução dos custos do processo, ou em poços que possuem múltiplos revestimentos. Nos últimos anos muitas patentes e artigos tem sido publicados abordando esse mesmo tema. Este trabalho possui como motivação analisar a eficiência da utilização de ondas ultrassônicas guiadas em poços com multicamadas para detecção de defeitos presentes na camada de cimento. Para isso, primeiramente se realizou uma vasta pesquisa bibliográfica buscando identificar os tipos mais frequentes de defeitos existentes, o princípio de funcionamento das principais ferramentas comerciais existentes e os avanços das pesquisas na fronteira do conhecimento desse assunto. Modelou-se a partir da teoria de ondas e de suas equações analíticas o poço estudado, encontrando as equações de dispersão que regem o problema. Desenvolveu-se um código analítico-numérico capaz de resolver essas equações e de obter as curvas de dispersão. Além disso, analisou-se como os defeitos e suas variações afetam as curvas de dispersão, identificando os comportamentos característicos para cada caso. Posteriormente, a distribuição da energia, obtida a partir do vetor de Poynting no poço, foi usado afim de se investigar os modos que concentram a energia na camada de cimento. Para o caso sem a coluna de produção, concluiu-se que os melhores modos de excitação estão em alta frequência, pois a energia se concentra no cimento. Já para o caso com a coluna de produção, encontrou-se que na frequência de 30,13 kHz a uma vagarosidade de 726,5 us/m a energia está praticamente toda concentrada no cimento o que é interessante para se analisar defeitos apenas no cimento e que em 39,17 kHz e 507 us/m a energia está distribuída entre o cimento e a coluna de produção, sendo interessante para analisar defeitos que envolvam ambos.  

Tese: Artificial Intelligence Methods Applied to Mechanical Engineering Problems

Aluno(a) : Pedro Henrique Leite da Silva Pires Domingues
Orientador(a): Helon Ayala
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/13/2020
Local:

Resumo: The majority real-world engineering design, management and decision making problems, may be seen as a multi-objective optimization problem, while others may comprehend classification, prediction or regression tasks. The use of artificial intelligence (AI) techniques to address these problems is attractive since they i) are most recommended for MO problems when compared with classical mathematical programming methods, which requires significant computational cost and informations of the problem domain; and ii) present better results with a simpler structure, adaptability and the possibility to extract information from the problems, when compared with other methods. Therefore, this work considers the application of AI techniques in anti-lock braking system (ABS) improvement, heat exchanger design optimization and theft-sensitive leak detection system (LDS) problems to i) develop and improve AI techniques; ii) constitute an AI application guide for control and design MO problems, as well as for the feature extraction process and machine learning classifier training through supervised learning approach; and mainly iii) demonstrate AI methods potential in solving realworld mechanical engineering problems. The results showed that the novel AI optimization algorithm versions proposed performed well considering the Pareto front dominance, spacing, Euclidian distance and hypervolume for the ABS problem and two IGD-based metrics compared through wilcoxon rank sum test for the HE design problem. Also, the decision tree-based machine learning classifier, trained through supervised learning and principal component analysis feature extraction technique, detcted all fuel theft situations with no false alarms.

Tese: Análise Comparativa entre Modelos de Fadiga Mutiaxial Baseados em Plano Critico

Aluno(a) : Bruno Pinto de Araujo
Orientador(a): Jaime Tupiassu e Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/01/2019
Local: Sala 210L, Prédio Cardeal Leme

Resumo:

Frequentemente, componentes mecânicos são solicitados por carregamentos complexos, em que suas direções variam com o tempo, podendo levar a uma falha por fadiga multiaxial. Nestas condições, o dimensionamento a partir de critérios uniaxiais tradicionais podem resultar em previsões não conservativas. Normas técnicas e livros de projeto de máquina, em sua maioria, não abordam as novidades acerca do tema. Por outro lado, diversos critérios de falha por fadiga multiaxial podem ser encontrados na literatura.
Esta dissertação tem como principal objetivo verificar alguns destes critéios, em que utilizam abordagem por plano crítico, tais como: Findley, McDiarmid, Goodman Generalizado, Brown-Miller, Fatemi-Socie, Smith-Watson-Topper e Liu.
Para tanto, foi desenvolvido um algoritmo capaz de calcular vida sob fadiga multiaxial atravéis de critérios de plano crítico. O algoritmo conta com um filtro de amplitude misto: por projejeção e Racetrack; dois métodos de contagem de ciclo: Rainflow de plano crí­tico e Wang-Brown modificado; um método de perfil equivalente por Momento de Inércia; bem como todos os modelos de fadiga multiaxial acima citados.
A resposta do aço 304L para uma série de carregamentos traço x torção foi avaliada pelo algoritmo. Concluiu-se que, para estas situações, os modelos de Fatemi-Socie e Brown-Miller realizaram previsõess mais acertadas, e de forma geral conservativas.

Tese: Otimização Topológica de Estruturas Planas sob a Ação de Cargas Dinâmicas Utilizando o Método do Carregamento Estático Equivalente

Aluno(a) : Bárbara Valéria de Abreu Lavôr
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/27/2019
Local:

Resumo: A otimização topológica de estruturas sujeitas a carregamentos que variam ao longo do tempo, costuma ter custos computacionais bastante elevados. Isso acontece devido ao grande número de análises dinâmicas que são necessárias. Além disso, avaliar os gradientes da resposta, que fazem parte da análise de sensibilidade também possuem altos custos de computação e requerem um grande espaço de armazenamento. Nesta dissertação, em vez de resolver o problema original diretamente, é resolvida uma sequência de problemas de otimização de resposta estática com múltiplos casos de carga. Essa abordagem, chamada de método do carregamento estático equivalente, gera cargas estáticas que produzem uma resposta equivalente com a mesma resposta obtida na análise dinâmica. Para avaliar as abordagens presentes na literatura, desenvolveu-se um código em MATLAB, e diversos exemplos representativos são apresentados.

Tese: Dinâmica de uma coluna de perfuração utilizando a teoria de Cosserat

Aluno(a) : José Dinarte Vieira Goulart
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/26/2019
Local:

Resumo: O petróleo é um dos recursos mais fundamentais para o desenvolvimento de qualquer país e, por este motivo, dominar o conhecimento nos setores de exploração e produção é fundamental para soberania nacional. Uma fase crítica do processo de obtenção do petróleo é a perfuração do solo para o acesso ao poço. Os custos destas operações são extremamente elevados e quaisquer problemas na operação de perfuração podem levar a prejuízos astronômicos. Um dos problemas em particular é compreender o comportamento dinâmico da coluna de perfuração durante o processo de perfuração diante de diversos fatores como a fricção da broca com o solo, choques da coluna de perfuração com a parede do poço, modelos de controle de rotação e outros fatores. Uma parte crítica para abordar este problema é a escolha de uma teoria para caracterizar a coluna de perfuração, isto é, o modelo matemático que representará a resposta dinâmica da estrutura diante dos carregamentos. Este trabalho abordará o problema da dinâmica de uma coluna de perfuração através de um modelo matemático baseado na teoria de Cosserat que irá fornecer a resposta dinâmica de uma estrutura unidimensional inserida no espaço euclidiano tridimensional. Uma revisão das principais definições e conceitos é feita para dar introdução a formulação das equações determinísticas utilizando a teoria de Cosserat. As equações diferenciais parciais são resolvidas utilizando um software comercial de análise de Elementos Finitos. Funções base são geradas a partir da solução das equações na forma quase estática, modelo conhecido como elemento de Cosserat modificado (Modfied Cosserat Rod Element - MCRE). As funções base geradas são comparadas com funções base lineares genéricas a partir da solução estática de uma viga engastada-livre e da convergência de um modo de vibração da estrutura, sendo feita recomendações na utilização de modelos baseados no MCRE. O processo de validação das equações consiste em comparar a resposta do modelo proposto a problemas bem estabelecidos na literatura e outros publicados. Um vez tendo o modelo validado, o problema de uma coluna de perfuração é simulado e os resultados analisados.

Tese: Previsão da tolerância às trincas curtas que nascem de entalhes

Aluno(a) : Gabriela Cristina Paiva Martins
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/26/2019
Local:

Resumo: Para garantir que um componente estrutural resistirá ao longo de sua campanha operacional às trincas que podem não ter sido detectadas durante a última inspeção, é preciso estudar a tolerância aos defeitos nos componentes estruturais. As trincas longas podem ser modeladas por conceitos tradicionais da Mecânica da Fratura, mas as trincas curtas, em especial aquelas que partem de entalhes, não podem. O comportamento destas trincas curtas é modelado a partir do conceito do seu tamanho característico a0, proposto por El Haddad, Topper e Smith, que concilia o limite de iniciação de uma trinca por fadiga com o limiar de propagação das trincas longas. Para obtenção deste parâmetro, o limite de fadiga SL da liga de Al 6351-T6 é obtido por termografia e verificado extrapolando sua curva N medida por procedimentos normalizados para uma vida útil muito longa. O limiar de propagação das trincas longas Kth é medido através de ensaios padronizados. Por último, tamanhos de trincas em corpos de prova de geometrias diferentes são previstos por aproximações analíticas a partir dos campos de tensões à frente dos entalhes por Inglis e Creager & Paris.

Tese: Characterization of The Mechanical Behavior Under Multiaxial Low Cycle Fatigue of SAE 1020 Steel and 6351-T6 Aluminum Alloys

Aluno(a) : Thiago Almeida Cunha
Orientador(a): Jaime Tupiassú e Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/25/2019
Local:

Resumo: The mechanical failure known as fatigue is characterized by the formation and/or propagation of cracks caused by variable forces. Its traditional methodologies normally calculate an equivalent uniaxial tensile stress acting on the component, in order to compare it with the known experimental mechanical behavior data of the component’s material measured under uniaxial loads. This assumption can lead to non-conservative results because it considers the material to be equally sensitive to shear and tensile stresses, which is not true in a wide range of practical applications. Therefore, torsional and multiaxial experimental data is necessary to better predict the fatigue life of components. To execute those experiments, the present work proposes a variety of component designs and assembly methodologies to use on an Instron 8874 axial-torsional testing machine a hydraulic grip originally designed for an Instron 8501 uniaxial testing machine. Furthermore, a simplified method to estimate shear ( N) low-cycle fatigue properties via displacement-controlled experiments is proposed to avoid the need of using expensive equipment and different specimen designs, and used for characterization of SAE 1020 Steel and 6351-T6 Aluminum alloys. This data is compared with the measured tensile ( N) low-cycle fatigue properties to identify if these materials are tensile or shear sensitive under multiaxial loading conditions. A numerical computing code is used to fit N and N curves to the experimental data, and its implementation procedures are discussed. Finally, the most suitable critical-plane multiaxial fatigue models are proposed for each material tested, based on the measured data.

Tese: Avaliação da previsão de vida de peças entalhadas sob cargas de amplitude variável

Aluno(a) : Kallin de Souza
Orientador(a): Jaime Tupiassu
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/09/2019
Local:

Resumo: O método N baseia-se na quantificação do dano causado pela deformação decorrente do histórico de carregamento cíclico. Tendo como objetivo estimar o número de ciclos o qual leva a iniciação de uma trinca por fadiga. Diferente do método SN o número de variáveis e constantes envolvidas nesse modelo é menor, o que aumenta sua confiabilidade. Entretanto, nem sempre essas constantes são obtidas experimentalmente. Existes diversos modelos que se propõem a estimar as constantes de Coffin-Manson. Apesar da conveniência, em sua maioria essas constantes não levam a previsões assertivas, conforme visto em outros estudos. Contudo a maioria dos casos existentes na literatura não abordam dois fatores primordiais, o efeito de regiões de concentração de tensão e a influência de carregamentos com amplitudes variáveis. Visando observar a influência desses dois aspectos na previsão de vida à fadiga segundo a metodologia N esse estudo traça um comparativo entre a vida à fadiga experimental e teórica, obtida com constantes experimentais, segundo 2 tipos de concentradores de tensão e quatro históricos de carregamentos de amplitude variável. Além disso os resultados foram comparados com as previsões realizadas considerando os modelos de obtenção das constantes de Coffin-Manson, viando verificar entre esses quais apresentam um resultado mais satisfatório. De acordo com os resultados é possível visualizar que a vida a fadiga prevista usando os parâmetros de Coffin Manson obtidos segundo o método das medianas e por Baumel-Segger são os que mais se aproximam das vidas estimadas baseada nas constantes experimentais. Nos demais casos nota-se que a regra de concentração de tensão exerce uma maior influência no resultado

Tese: Topology optimization of geometrically nonlinear structures based on an energy interpolation scheme

Aluno(a) : André Xavier Leitão
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/03/2019
Local:

Resumo: In many engineering problems, e.g., design of flexible biomedical prostheses or energy absorption devices, structures undergo large displacements. In those problems, the structural response must take into account the geometric nonlinearity. However, topology optimization algorithms regarding nonlinearities, and based on the finite element method, typically suffer from numerical instabilities caused by excessive distortions of low-density regions within the design domain. In particular, the stiffness matrix may be no longer positive definite, which can jeopardize the convergence of the optimization process. This dissertation aims to study an energy interpolation scheme based on the St. Venant-Kirchhoff material model to alleviate this convergence issue. At each step of the optimization, the nonlinear state equation is solved by the Newton-Raphson procedure to determine the equilibrium configuration. Making use of the gradient information computed from the adjoint method, the Method of Moving Asymptotes is employed to update the design variables. Through several benchmark problems considering large displacements, it is demonstrated the effectiveness and efficiency of this energy interpolation scheme. More specifically, the optimized designs are in agreement with those obtained in the literature and exhibit correct load-level dependence. The investigated energy interpolation scheme plays a crucial in the solution of nonlinear problems with high load levels, allowing the optimization routine to converge and to obtain the optimal material arrangement. 

Tese: Otimização dimensional e de forma de treliças espaciais modeladas com curvas de Bézier

Aluno(a) : Waldy Jair Torres Zuniga
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/26/2019
Local:

Resumo: Estruturas treliçadas espaciais são arranjos geométricos de barras amplamente utilizados em coberturas de edificações. Diversos fatores favorecem o seu uso, tais como a capacidade de vencer grandes vãos e a facilidade em assumir diversas formas. A busca pela geometria ótima é um objetivo importante no projeto de estruturas, onde o interesse principal é minimizar o custo da estrutura. O objetivo deste trabalho é apresentar um sistema computacional capaz de minimizar o peso de estruturas treliçadas cuja geometria é definida por curvas de Bézier. Portanto, os pontos de controle das curvas de Bézier são utilizados como variáveis de projeto. As áreas das seções transversais das barras e a altura da treliça também são consideradas como variáveis de projeto e restrições sobre a tensão de escoamento e a tensão crítica de Euler são impostas no problema de otimização. A estrutura é analisada por meio do método dos elementos finitos considerando a hipótese do comportamento linear físico e geométrico. Os algoritmos de otimização utilizados neste trabalho utilizam os gradientes da função objetivo e das restrições, que são calculados a partir dos gradientes da resposta da estrutura em relação às variáveis de projeto. O sistema computacional desenvolvido neste trabalho foi escrito em linguagem MATLAB® e conta com uma integração com o SAP2000® por meio da OAPI (Open Application Programming Interface). Os resultados numéricos obtidos demonstram a eficiência e a aplicabilidade deste sistema. 

Tese: Torsional Friction-Induced Vibrations in Slender Rotating Structures

Aluno(a) : Ingrid Pires Macedo Oliveira dos Santos
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/12/2019
Local:

Resumo: Excessive drill string vibration leads to loss of the drilling process effectiveness and premature damage to the equipment. Therefore, understanding the system dynamics is essential. The complex behavior of drill strings stimulated a high number of publications in drilling dynamics. Due to the drill string slenderness, torsional vibration is present in most drilling routines, eventually reaching the stick-slip phenomenon. This torsional vibration results from the nonlinear interaction between drill-bits and rocks. Despite the complexity of the bit-rock interaction, researchers often treat the relationship between torque and bit velocity as a dry friction force in a slender system. A large number of dry friction models is used to describe the interaction between drill bits and rocks although a proper model is required for a precise interpretation of systems with friction. This contribution utilizes data from a test rig that is capable of reproducing full-scale system torsional behavior with simple brake devices to introduce friction to the system, disturbing the rotating motion. This test rig is modeled as an actuated torsional pendulum for the numerical investigations of the experimental friction. This dissertation proposes a friction model based on experimental data and analyzes various frictional phenomena observed, including hysteresis. The experimental results are used to identify the proposed model parameters. Lastly, it compares numerical simulations with the experimental results and validates the proposed friction model. 

Tese: Estratégias de aproximações analíticas hierárquicas de problemas não lineares: métodos de perturbação

Aluno(a) : Mariana Gomes Dias dos Santos
Orientador(a): Roberta Lima
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/27/2019
Local:

Resumo: Problemas dinâmicos governados por problemas de valor inicial (PVI) não lineares, em geral, despertam grande interesse da comunidade científica. O conhecimento da solução desses PVI facilita o entendimento das características dinâmicas do problema. Porém, infelizmente, muitos dos PVI de interesse não têm solução conhecida. Nesse caso, uma alternativa é o cálculo de aproximações para a solução. Métodos numéricos e analíticos são eficientes nessa tarefa e podem fornecer aproximações com a precisão desejada. Os métodos numéricos foram muito desenvolvidos nos últimos anos e amplamente aplicados em problemas de diversas áreas da engenharia. Pacotes computacionais de fácil utilização foram criados e hoje fazem parte dos mais tradicionais programas de simulação numérica. Entretanto, as aproximações numéricas têm uma desvantagem em relação às aproximações analíticas. Elas não permitem o entendimento de como a solução depende dos parâmetros do problema. Visto isso, esta dissertação foca na análise e implementação de técnicas analíticas denominadas métodos de perturbação. Foram estudados os métodos de Lindstedt-Poincaré e de múltiplas escalas de tempo. As metodologias foram aplicadas em um PVI envolvendo a equação de Duffing não amortecida. Programas em álgebra simbólica foram desenvolvidos com objetivo de calcular aproximações analíticas hierárquicas para a solução desse problema. Foi feita uma análise paramétrica, ou seja, estudo de como as condições iniciais e os valores de parâmetros influem nas aproximações. Além disso, as aproximações analíticas obtidas foram comparadas com aproximações numéricas calculadas através do método do Runge-Kutta. O método de múltiplas escalas de tempo também foi aplicado em um PVI que representa a dinâmica de um sistema massa-mola-amortecedor com atrito seco. Devido ao atrito, a resposta do sistema pode ser caracterizada em duas fases alternadas, a fase de stick e a fase de slip, compondo um fenômeno chamado stick-slip. Verificou-se que as aproximações obtidas para resposta do sistema pelo método de múltiplas escalas de tempo têm boa acurácia na representação da dinâmica do stick-slip.

Tese: Toughness Evaluation and Fracture Predictions in Elastoplastic Materials

Aluno(a) : Eduardo Enes Cota
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/21/2019
Local:

Resumo: Understanding how to analyze crack-like defects is essential for many industries to avoid potentially catastrophic accidents. It is well known that structural Integrity standards use conservative procedures to evaluate the safety of cracked plate-like components like pipes and pressure vessels. To quantify how conservative such procedures are, critical loads predictions were computed on plate-like specimens of API 5L X80 steel (a high strength low alloy (HSLA) dual-phase steel developed for deep water pipelines) with a though wall crack. The specimens toughness was predicted by level 2 and 3 assessment procedures of the fitness-for-service standard API 579, and then compared with the actual loads needed to induce ductile tearing in them. The fracture toughness of the steel was measured through standard JIc and J-R resistance curve tests, using the elastic compliance technique with unloading/reloading sequences during the tearing process. Additionally, the geometry and type of loading effects, which can significantly change the value of the toughness, were analyzed using Elastoplastic Fracture Mechanics concepts. To do so, SE(B) specimens, which have high plastic transversal constraint, were tested following ASTM E1820-17 procedures. Then, their actual toughness were compared with literature procedures to estimate the toughness of SE(T) specimens, which have low plastic constraint, and with the actually measured date. 

Tese: Aplicação da derivada topológica na otimização estrutural

Aluno(a) : André Pimentel de Oliveira
Orientador(a): Ivan Menezes e Rafael Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/25/2018
Local:

Resumo: A otimização topológica tem por objetivo buscar uma distribuição ótima de uma quantidade limitada de material em um dado domínio, de tal maneira a minimizar uma medida de desempenho, como, por exemplo, a flexibilidade da estrutura. Tradicionalmente, são utilizados algoritmos clássicos, baseados em gradiente, para se encontrar a solução deste problema de otimização. Este trabalho propõe a aplicação de uma técnica alternativa, baseada no conceito de derivada topológica, para a solução do problema de otimização topológica em domínios bidimensionais arbitrários, utilizando malhas de elementos finitos poligonais. Inicialmente, são apresentados os conceitos básicos da expansão assintótica topológica na solução de problemas de elasticidade linear em um domínio com pequenas perturbações. Usamos esse conceito para definir a derivada topológica a partir da solução desse problema e de um equivalente em um domínio sem perturbações. Em seguida, discutimos a obtenção da derivada topológica em problemas unidimensionais simples para depois estender este conceito para problemas de elasticidade linear bidimensional. Apresentamos uma implementação computacional da derivada topológica, em MATLAB, e aplicamos o código desenvolvido na solução de problemas de otimização topológica, conhecidos na literatura. Finalmente, apresentamos as conclusões sobre a qualidade dos resultados obtidos e a eficiência computacional da implementação proposta e sugerimos alguns tópicos para futuros desenvolvimentos. 

Tese: Auto localização de robôs móveis por fusão de sensores na presença de interferência eletromagnética

Aluno(a) : Rodrigo Neumann
Orientador(a): Marco Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/01/2018
Local:

Resumo: A inspeção interna de tanques de armazenamento pode ser uma tarefa longa, custosa e até nociva à saúde do inspetor. Uma alternativa à inspeção humana é a utilização de sistemas robóticos. Esses sistemas podem ser teleoperados de fora dos tanques, permitindo realizar a inspeção de maneira mais segura, rápida, e em alguns casos, sem que seja necessário esvaziá-lo. Para poder fornecer a localização de eventuais defeitos no tanque, o robô móvel precisa ser capaz de conhecer sua posição relativa dentro dele. Auto-localização é de grande importância para a navegação de robôs móveis. Robôs de inspeção são, na sua maioria, veículos de rodas ou esteiras magnéticas fixas. Esta configuração adiciona duas dificuldades que precisam ser abordadas na tarefa de localização. Devido à sua configuração, neste tipo de veículo, deslizamento das rodas é intrínseco ao seu funcionamento, sendo essencial levar em conta seu efeito para modelar seu comportamento adequadamente. Outra dificuldade está no uso de rodas magnéticas, devido ao forte campo magnético gerado por estes elementos, que interferem nas medições de sensores magnéticos, como por exemplo bússolas. Neste trabalho, um filtro de Kalman foi desenvolvido e implementado para a localização de um robô de quatro rodas magnéticas fixas, a partir da fusão de sensores inerciais e odometria. Na modelagem do veículo, foi utilizado um modelo da cinemático como base para um modelo dinâmico, o que permitiu considerar o deslizamento intrínseco do sistema. Na fusão de sensores, foram dispensadas as medições do magnetômetro embarcado, devido à grande interferência produzida pelas rodas e à grande distância que seria necessária entre eles para não ser afetado pelo ruído. Simulações e experimentos comprovaram a eficiência do filtro implementado. 

Tese: Concepção de um triciculo omnidirectional

Aluno(a) : Mariana da Rocha Osborne
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/10/2018
Local:

Resumo: O presente projeto consiste na concepção de um triciclo omnidirecional autonomo que tem como finalidade o transporte de cargas em um ambiente de armazenamento. O veículo em questão será munido de um sistema de atuação, elementos de controle e um sistema de sensoriamento, para possibilitar sua navegação em um ambiente previamente estudado.

Tese: Análise do comportamento de vasos de pressão cilíndricos considerando-se a junção de Placas e Cascas

Aluno(a) : Wallace Moreira Adame
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/05/2018
Local:

Resumo: Neste trabalho apresenta-se a análise numérica de vasos de pressão cilíndricos modelados por cascas e placas axissimétricas submetidas à carregamento de pressão interna uniformemente distribuída utilizando-se a técnica de elementos finitos. São consideradas análises de junções entre superfícies com diferentes espessuras, tais como, paredes finas (r/t=10) e moderadamente espessas (r/t=5). Os campos de deslocamento considerados são os referentes aos elementos planos axissimetricos. A partir deste modelo são avaliadas as tensões na transição entre as superfícies e os resultados comparados com soluções analíticas simplificadas. Conclui-se que a solução analítica aproximada é aceitável para uma grande faixa de valores envolvendo placas e cascas de espessuras moderadamente espessas enquanto que para paredes finas a análise por elementos finitos é necessária para verificação do comportamento das tensões na junção.Testes numéricos são apresentados para demonstrar o desempenho de análises lineares axissimétricas utilizando elementos quadráticos em comparação as soluções analíticas avaliando também as limitações do modelo analítico na região da descontinuidade geométrica do modelo proposto.

Tese: Algoritmos para Reconhecimento de Padrões em Imagética Motora em uma Interface Cérebro-Máquina

Aluno(a) : Gabriel Chaves de Melo
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/09/2018
Local:

Resumo: Uma interface cérebro-máquina (ICM) é um sistema que permite a um indivíduo, entre outras coisas, controlar um dispositivo robótico por meio de sinais oriundos da atividade cerebral. Entre os diversos métodos para registrar os sinais cerebrais, destaca-se a eletroencefalografia (EEG), principalmente por ter uma rápida resposta temporal e não oferecer riscos ao usuário, além de o equipamento ter um baixo custo relativo e ser portátil. Muitas situações podem fazer com que uma pessoa perca o controle motor sobre o corpo, mesmo preservando todas as funções do cérebro, como doenças degenerativas, lesões medulares, entre outras. Para essas pessoas, uma ICM pode representar a única possibilidade de interação consciente com o mundo externo. Todavia, muitas são as limitações que impossibilitam o uso das ICMs da forma desejada, entre as quais estão as dificuldades de se desenvolver algoritmos capazes de fornecer uma alta confiabilidade em relação ao reconhecimento de padrões dos sinais registrados com EEG. A escolha pelas melhores posições dos eletrodos e as melhores características a serem extraídas do sinal é bastante complexa, pois é altamente condicionada à variabilidade interpessoal dos sinais. Neste trabalho um método é proposto para escolher os melhores eletrodos e as melhores características para pessoas distintas e é testado com um banco de dados contendo registros de sete pessoas. Posteriormente dados são extraídos com um equipamento próprio e uma versão adaptada do método é aplicada visando uma atividade em tempo real. Os resultados mostraram que o método é eficaz para a maior parte das pessoas e a atividade em tempo real forneceu resultados promissores. Foi possível analisar diversos aspectos do algoritmo e da variabilidade inter e intrapessoal dos sinais e foi visto que é possível, mesmo com um equipamento limitado, obter bons resultados mediante análises recorrentes para uma mesma pessoa. 

Tese: Otimização Paramétrica de Estruturas Treliçadas Sujeitas à Restrições Dinâmicas Utilizando o Método do Carregamento Estático Equivalente

Aluno(a) : Rodrigo Bianchi Santos
Orientador(a): Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/04/2018
Local:

Resumo: Otimização estrutural sujeita à carregamentos dinâmicos é um problema desafiador em vários aspectos, a começar pelo grande número de restrições que devem ser atendidas em todos os instantes de tempo. Além disso, o custo computacional para avaliar os gradientes destas restrições é bastante elevado e requer um grande espaço de armazenamento. Na literatura, alguns métodos reduzem o número de restrições avaliando em instantes de tempo selecionados, como o pior caso por exemplo, ou ainda constroem um funcional equivalente para eliminar a dependência do tempo. Nesta dissertação, o método do Carregamento Estático Equivalente (ESL) é utilizado, no qual o problema dinâmico original é transformado em uma sequência de subproblemas de otimização linear estática com múltiplos casos de carga. Um atrativo deste método é a possibilidade da solução de problemas não lineares, evitando o alto custo devido às repetidas análises estruturais e cálculos das restrições. Problemas clássicos de treliças planas submetidas a carregamentos dinâmicos são resolvidos. A função a ser minimizada é a massa da treliça, que está sob restrições de tensão e deslocamento, onde as variáveis de projeto são as áreas da seção transversal dos membros. Além disso, uma integração entre o programa ANSYS® e MATLAB® foi desenvolvida para uma abordagem modular, na qual a análise via elementos finitos e a otimização possam ser realizadas separadamente. Este processo viabiliza a otimização de estruturas que apresentam comportamentos não lineares a partir da utilização de diversos softwares comerciais disponíveis no mercado. 

Tese: Graph Optimization and Probabilistic SLAM of Mobili Robots using an RGB-D Sensor

Aluno(a) : João Carlos Virgolino Soares
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/26/2018
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Resumo: Mobile robots have a wide range of applications, including autonomous vehicles, industrial robots and unmanned aerial vehicles. Autonomous mobile navigation is a challenging subject due to the high uncertainty and nonlinearity inherent to unstructured environments, robot motion and sensor measurements. To perform autonomous navigation, a robot need a map of the environment and an estimation of its own pose with respect to the global coordinate system. However, usually the robot has no prior knowledge about the environment, and has to create a map using sensor information and localize itself at the same time, a problem called Simultaneous Localization and Mapping (SLAM). The SLAM formulations use probabilistic algorithms to handle the uncertainties of the problem, and the graph-based approach is one of the state-of-the-art solutions for SLAM. For many years, the LRF (laser range finders) were the most popular sensor choice for SLAM. However, the RGB-D sensors are an interesting alternative, due to its low cost. This work presents an RGB-D SLAM implementation with a graph-based probabilistic approach. The proposed methodology uses the Robot Operating System (ROS) as middleware. The implementation is tested in a low cost robot and with real-world datasets from literature. Also, it is presented the implementation of a pose-graph optimization tool for MATLAB

Tese: Estudo numérico para a previsão de nucleação de trincas sob solicitações de fretting e de fadiga segundo a abordagem multiaxial

Aluno(a) : Fernando Salles da Silva Pires
Orientador(a): Jaime Tupiassú e Luiz Carlos Lopes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/05/2018
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Resumo: O termo fretting é utilizado quando duas superfícies em contato são submetidas a um movimento oscilatório de pequena amplitude. Quando combinado com carregamento remoto de fadiga, esses deslocamentos tangenciais de pequena amplitude na interface entre os materiais em contato podem levar a uma redução significativa da resistência à fadiga e uma precoce nucleação e/ou crescimento de trincas de fadiga. Esta dissertação revisita e discute os modelos multiaxiais de dano por fadiga utilizados na previsão do risco de nucleação de trinca sob solicitações de fretting e de fadiga por fretting segundo a abordagem local e não-local do problema. A vantagem da abordagem local em relação à abordagem não-local é que ela não requer calibração do modelo multiaxial com base em dados experimentais, que do ponto de vista industrial é um grande atrativo. As previsões obtidas com os diferentes modelos (SWTD, SWT, Findley e Crossland) foram confrontadas com dados experimentais disponíveis na literatura para o contato cilindro/plano em aço AISI 52100 e aço AISI 1034 respectivamente. A versão deviatórica do parâmetro SWT (SWTD), introduzida na literatura por D. Kujawski e proposta no presente trabalho para o cálculo do risco de nucleação de trinca, foi a que melhor ajustou os dados experimentais. Segundo a abordagem local, este modelo produz previsões com erros conservativos inferiores a 15% para os testes de fretting. Os erros foram observados para os testes de fretting feitos a elevada pressão de contato (HP = 700 MPa). No entanto, para os testes de fretting feitos a baixa pressão de contato (LP = 450 MPa) as previsões apresentam 100% de acertos. Quando calibrado a uma dimensão característica (abordagem não-local), o modelo SWTD mostrou-se capaz de prever com 100% de precisão o risco de nucleação de trinca para os testes de fadiga por fretting investigados. Foi demonstrado que previsões demasiadamente não conservativas podem ser obtidas ao considerar-se uma dimensão característica teórica tal a qual proposta por Taylor, definida em termos do método do ponto (abordagem não-local). Por fim, concluiu-se que para o material investigado, a precisão nas previsões é mais influenciada pela dimensão característica escolhida que pelo modelo multiaxial ou método de integração estudado (abordagem não-local).

Tese: Development of an Autonomous Collision Avoidance System Based on Fuzzy Control

Aluno(a) : Rafael Basilio Chaves
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/20/2017
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Resumo:

This work presents a concept for a collision avoidance system simulated using 3D-models of three different vehicles implemented in MATLAB extsuperscript{ extregistered}. Two of the vehicle data sets were built with generic information, used to characterise mid-size and full-size vehicles. These standard vehicles were used in initial simulations and for demonstration of some concepts. The third data set was build with information from the Apollo N, a super sportive car. These different data sets were used to evaluate the controller's capacity to work with a range of vehicles, with different sizes and driving characteristics.
The approach for triggering the system is based on the time-to-colision (TTC) estimation. This concept was adopted to recognize when the driver is not able to avoid an accident. After being triggered, the system must decide which maneuver is the most appropriate for the given friction and risk conditions.
The first goal of this work is to develop an autonomous braking system which evaluates the risk of a possible collision and decides if the driver is able to avoid it. Once the driver has not enough time to react, the system must trigger the brakes automatically in order to avoid the accident. The vehicle is equipped with an embedded Anti-lock Brake System (ABS) developed using Fuzzy control. The ABS controller's performance was evaluated in simulations using the data sets and tested in a scaled vehicle.
In more critical cases, when there is low friction, the vehicle is not able to brake in a reasonable distance. Considering this situation, an autonomous steering control was implemented in order to make an alternative avoidance maneuver. This second system was evaluated in simulations using vehicles with understeering and oversteering characteristics. The results pointed out that the autonomous steering control was able to perform avoidance maneuvers in a reasonable range of lateral accelerations, in vehicles with different driving tendencies. 

Tese: Análise modal operacional no domínio do tempo: um estudo crítico dos métodos de identificação

Aluno(a) : Gustavo Brattstroem Wagner
Orientador(a): Rubens Sampaio e Roberta Lima
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/22/2017
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Resumo: Análise modal consiste na caracterização de um sistema através dos seus parâmetros modais. Quando a principal excitação é causada pelo ambiente em que o sistema está inserido, essa caracterização é definida como análise modal operacional (OMA). Nestes casos, os forçamentos não são conhecidos (mensuráveis) e apenas as respostas são monitoradas. Por terem natureza aleatória, esses sinais precisam ser incorporados ao modelo numérico através de processos estocásticos. O principal objetivo desta dissertação consiste em descrever as técnicas de identificação em OMA. Para isso, duas vertentes foram criadas, uma teórica e outra experimental.Na parte teórica, as hipóteses necessárias para a identificação de um sistema por OMA são apresentadas. Uma análise dos erros causados por sinais ruidosos também é feita, permitindo que a sensibilidade dos métodos seja avaliada. Além de contemplar os principais métodos de identificação, dois novos métodos são propostos. Ambos foram desenvolvidos a partir da Decomposição Ortogonal Própria (POD) e combinam uma eficiência computacional com a possibilidade de quantificar as incertezas dos parâmetros.Na vertente experimental, o objetivo é ilustrar e validar a identificação de estruturas. Para isso, três diferentes bancadas foram criadas: um prédio de dois andares, uma pá eólica e uma ponte suspensa. Após a construção, essas estruturas foram devidamente instrumentadas por diferentes sensores. Um sistema de aquisição dados foi montado através de hardwares comerciais e analisados através de uma interfase gráfica desenvolvida especialmente para OMA pelo Laboratório de Vibrações. 

Tese: Coupled systems in mechanics: fluid structore interactions

Aluno(a) : Damien Foiny
Orientador(a): Rubens Sampaio e Roberta Lima
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/22/2017
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Resumo: Fluid-structure interactions are very common in mechanical and civil engineering because many structures, as bridges, offshore risers, transmission lines or wind turbines are, directly in contact with a fluid, which can be air, which will be source of wind, or water, which will perturb the structure through waves. An important role of the engineer is to prevent structure failure due to instabilities created by the fluid-structure interactions. This work will first present all the basic concepts needed for the study of fluid-structure interaction problems. Thus, a dimensional analysis of those problems is performed and also all the equations governing such cases are presented. Then, thanks to the dimensional analysis made, a classification of problems, namely based on the reduced velocity, can be done and some conclusions concerning the consequences of the fluid-structure interactions can be drawn in terms of stability or, which is more interesting, instability. Indeed, using simplified models one can show static and dynamic flow-induced instabilities that may be critical for the structure. The final parts of the work will present a specific non-linear structure, a suspension bridge. First the formulation of a simplified one-dimensional model is explained and then, through a finite element discretization, a dynamical study is performed. Also, some conclusions are made concerning the dynamic of suspension bridges. The last part of this work presents a method that was an important source of publication for us, the Smooth Decomposition method. 

Tese: Topology Optimization with Stress Constraints: an Aggregation-Free Approach

Aluno(a) : Fernando Vasconcelos da Senhora
Orientador(a): Ivan Menezes e Glaucio Hernogenes Paulino
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/23/2017
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Resumo:

As metodologias de projeto estrutural foram fortemente influenciadas pelo advento da computação. Os avanços nas áreas de análise numérica, como o método dos elementos finitos, e os programas de Projeto Assistido por Computador, literalmente ajudaram a moldar o mundo como ele é hoje. Implementações computacionais das técnicas de otimização estrutural, como a otimização topológica, permitem a determinação das estruturas base, gerando uma grande quantidade de projetos novos, mais eficientes, com o potencial de mudar drasticamente o futuro das aeronaves, automóveis, edifícios, etc. Introduzir restrições de tensão na otimização topológica tradicional permite a obtenção de soluções mais seguras e confiáveis que se assemelham mais à estrutura final. Contudo, isto não é uma tarefa trivial, apresentando várias dificuldades conceituais e numéricas. Nesta dissertação, as principais questões deste problema são discutidas e as técnicas presentes hoje na literatura são revisadas e criticadas quanto aos seus desempenhos. A principal contribuição deste trabalho é uma nova técnica baseada no Método do Lagrangiano Aumentado que lida eficientemente com um grande número de restrições. Em contraste com os métodos existentes, que são dependentes do problema e da malha, a abordagem proposta apresenta poucos parâmetros que precisam ser ajustados a cada novo caso. Para avaliar suas potencialidades, um código eficiente e robusto, em MATLAB, foi desenvolvido. Diversos exemplos representativos, incluindo problemas de larga escala, são apresentados. Finalmente, as soluções obtidas, incluindo algumas complicações inesperadas, são discutidas detalhadamente e sugestões para trabalhos futuros são propostas. 

Tese: Controle de uma mão robótica acionada por sinais eletromiográficos de superfície

Aluno(a) : Carlos Gerardo Paucar Malqui
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/28/2016
Local:

Resumo:

Esta dissertação propõe um sistema de controle de uma mão robótica utilizando sinais eletromiográficos superficiais (sEMG). Os sinais sEMG são coletados de três diferentes grupos musculares do antebraço superior: músculo palmar longo, músculo extensor dos dedos, e músculo extensor radial longo do carpo. O objetivo dessa pesquisa é o desenvolvimento de um protótipo de uma prótese robótica para pessoas que apresentam amputação da mão, controlado por uma interface eletromiográfica baseada em inteligência computacional. Este trabalho abrange os seguintes tópicos: localização dos eletrodos para capturar os sinais sEMG, projeto de um sistema de eletromiografia como interface muscular, método de pré-processamento de sinais, uso de técnicas de inteligência computacional para a interpretação dos sinais sEMG, projeto da mão robótica, e método de controle utilizado para controlar as posições dos dedos e o controle da força da mão. Nesta dissertação é utilizada a transformada wavelet packet como método de extração de características nos sinais eletromiográficos, e uma rede neural multicamada como método de classificação de padrões. O modelo proposto obteve resultados satisfatórios, conseguindo captar 90,5% dos padrões para o reconhecimento de 6 posturas diferentes da mão, 94,3% para 5 posturas, e 96,25% para 4 posturas

Tese: Assessment of slamming loads on subsea structures using the SPH method

Aluno(a) : Gustavo Garcia Momm
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/07/2016
Local:

Resumo:

Estruturas submarinas utilizadas nos sistemas de produção de óleo e gás offshore são normalmente projetadas para permanecerem no leito marinho por décadas. Para a grande maioria dessas estruturas a instalação é uma etapa crítica que pode requerer recursos dispendiosos e significativos esforços de engenharia. A descida de estruturas submarinas em regiões de ondas marinhas é uma operação complexa, uma vez que envolve acelerações desses corpos induzidas pelos movimentos das embarcações que, associados com os deslocamentos da superfície do mar, podem levar a significativas cargas de impacto nessas estruturas durante a entrada na água. O estágio inicial do impacto durante a entrada na água tem sido tema de muita pesquisa no último século, desde os trabalhos pioneiros de von Kármán e Wagner sobre a hidrodinâmica do pouso de hidroaviões. O cenário do impacto da proa de navios na superfície do mar também tem sido objeto de estudo, uma vez que pode levar a danos localizados ou mesmo catastróficos ao casco. Diferentes métodos numéricos têm sido aplicados para análise desse problema. A principal contribuição desse trabalho é a utilização do método numérico Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) para estimar as cargas de slamming em corpos rígidos durante a entrada na água considerando superfícies em repouso e sob o efeito de ondas. Inicialmente é introduzida a fundamentação teórica básica sobre o impacto hidrodinâmico, seguida da descrição do método SPH. Aplicações do SPH para simular a entrada na água de corpos rígidos são apresentadas considerando casos em queda livre e com velocidade constante e os resultados são comparados com experimentos e simulações numéricas obtidos na literatura. A presença de ondas regulares durante a entrada na água com velocidade constante também é considerada. Os resultados numéricos obtidos neste trabalho demonstram a viabilidade da abordagem proposta para estimar as cargas de slamming em estruturas submarinas durante a entrada na água. 

Tese: Estudo comparativo de métodos numéricos para solução das equações da elasticidade em problemas de otimização topológica

Aluno(a) : Andrés José Rodriguez Torres
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/15/2016
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Resumo: Este trabalho apresenta um estudo comparativo de métodos numéricos para solução das equações da elasticidade em problemas de otimização topológica. Um sistema computacional é desenvolvido em MATLAB para solução de problemas de otimização topológica usando malhas poligonais não estruturadas em domínios bidimensionais arbitrários. Dois métodos numéricos são implementados e comparados com o método convencional dos elementos finitos (FEM) em relação à precisão e à eficiência computacional: o recém proposto Método dos Elementos Virtuais (VEM) e o Método dos Elementos Finitos Suavizados (SFEM). A principal característica que distingue estes métodos do FEM é que as funções de base canônicas não são obtidas de forma explícita. A utilização de projetores locais apropriados permite a extração do componente linear das deformações dos elementos e, por conseguinte, o cálculo da matriz de rigidez se reduz a avaliações de quantidades puramente geométricas. Exemplos numéricos representativos para minimização de flexibilidade são apresentados para ilustrar as potencialidades da implementação proposta.

Tese: Modelagem e otimização por algoritmos genéticos de padrões de marcha quase-estática de robôs bípedes planos

Aluno(a) : Alexis López Figueroa
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/12/2016
Local:

Resumo:

 

Tese: Effect of elastic-plastic stress in the defect tolerance under stress corrosion cracking

Aluno(a) : Verônica Miquelin Machado
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/04/2016
Local:

Resumo:

Stress Corrosion Cracking (SCC), which consist in the initiation and propagation of cracks due to the combined attack of mechanical stresses and a corrosive environment is a potential danger for structures and components. Moreover, SCC can be explained by different mechanisms depending on the metal environmental pair, what makes difficult to create a generalized analytical approach to predict the crack behavior in SCC. Therefore, projects often use an over-conservative design criteria that disqualify a material susceptible to SCC without properly evaluate the influence of the stress fields that drive them. The aim of this work is to evaluate the effect of elastic plastic stress in SCC. This mechanical approach assumes that all chemical effects involved in SCC problems can be appositely described and quantified by traditional material resistances to crack initiation and propagation at under specific environment. Aluminium bending specimens in Gallium environment are used to predict the effect of the residual stress induced by plastic deformation in the crack initiation under SCC conditions. Furthermore, a quantitative analysis based on the non-propagating crack behavior departing from notch tips are used to calculate the necessary stress to initiate and propagate SCC in AISI 4140 steel notched specimens under aqueous hydrogen sulphide environment. The non-propagating crack behavior and the maximum load supported by notched specimens are analysed under linear elastic and elastic plastic stress field through the proposed model that will be validated by experimental data.

Tese: Thermography applied to the study of fatigue in polycarbonate

Aluno(a) : Renato Bichara Vieira
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/12/2016
Local:

Resumo: The theoretical basis and the experimental work done in order to assess the suitability of thermography as a tool in the study of fatigue crack initiation and propagation were discussed. In doing so, the fatigue properties of a polycarbonate sheet (PALSUNTM), free from residual stresses, were determined using a range of different thermographic techniques. Active thermography was used to locate hot spot areas where fatigue is bound to happen. Thermoelastic stress analysis (TSA) was used to measure the stress fields and stress concentration factors that influence the initiation of cracks. The thermographic method was used to study the fatigue behavior of polycarbonate, determining the fatigue limit and the W

Tese: Topology optimization for eigenvalue problems using polygonal finite elements

Aluno(a) : Miguel Ángel Ampuero Suárez
Orientador(a): Ivan Menezes e Anderson Pereira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/07/2016
Local:

Resumo:

In this work, we present some applications of topology optimization for eigenvalue problems where the main goal is to maximize a specified eigenvalue, such as a natural frequency or a linearized buckling load, using polygonal finite elements in arbitrary two-dimensional domains. Topology optimization has commonly been used to minimize the compliance of structures subjected to volume constraints. The idea is to distribute a certain amount of material in a given design domain subjected to a set of loads and boundary conditions such that to maximize its stiffness. In this work, the objective is to obtain the optimal material distribution in order to maximize a given natural frequency (e.g. to keep it away from an external excitation frequency) or to maximize the lowest critical buckling load (e.g. to ensure a higher level of stability of the structures). We employ unstructured polygonal meshes constructed using Voronoi tessellations for the solution of the structural topology optimization problem. The design variables, i.e. material densities, used in the optimization scheme, are associated with each polygonal element in the mesh. We present several topology optimization examples for both eigenfrequency and buckling problems to demonstrate the functionality and applicability of the proposed methodology.

Tese: Um Estudo do Efeito de Concentração de Tensão em Materiais Anisotrópicos Aplicado a Compósitos Laminados Unidirecionais

Aluno(a) : Lucas Lisboa Vignoli
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/30/2016
Local:

Resumo:

Entalhes e mudanças bruscas de geometria são praticamente inevitáveis em componentes estruturais, mas geram uma perturbação localizada no campo de tensões e deformações que influi significativamente na maioria das falhas que ocorrem na prática. O presente trabalho tem por objetivo estudar os efeitos de concentração de tensão induzidos por entalhes em materiais compósitos, que podem ser muito diferentes daqueles induzidos em materiais isotrópicos. O formalismo de Stroh é utilizado para obter a solução analítica da distribuição de tensão na borda de furos elípticos em placas infinitas anisotrópicas sob tensões nominais multiaxiais aplicadas no plano da placa, e a teoria clássica dos laminados é utilizada para obter as propriedades equivalentes de laminados simétricos de tal forma que eles possam ser considerados uma placa ortotrópica homogênea de rigidez equivalente. Os critérios de Tsai-Wu, Puck e LaRC05 são usados para prever a falha das placas anisotrópicas furadas devido ao seu bom desempenho no WWFE (World-Wide Failure Exercise). Esses critérios são aplicados a diversas condições de carregamentos para furos circulares e elípticos em diferentes tipos de laminados. O estado multiaxial de tensões na borda dos furos causados pelo efeito da espessura da placa é estudado analiticamente considerando a hipótese limite de deformação plana. A análise de placas finitas é realizada utilizando o software comercial de elementos finitos ANSYS© considerando-se tensão plana, para comparar essas soluções numéricas com soluções aproximadas propostas na literatura. Por último, um estudo com base na micromecânica utilizando o modelo de Halpin-Tsai para estimar as propriedades de uma lamina em função da fração volumétrica das fibras é apresentado para avaliar sua importância na concentração de tensão.

Tese: Robótica Probabilística Aplicada a uma Unidade Autônoma para Intervenções em Poços de Petróleo

Aluno(a) : Hugo Francisco Lisboa Santos
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/28/2016
Local:

Resumo: Poços de petróleo não conseguem operar de forma ininterrupta por décadas. Eventualmente, eles acabam precisando de manutenção. Para tal, são utilizadas sondas cujo custo diário varia de US$ 260 a US$ 520 mil, em ambiente offshore. A presente dissertação avalia a possibilidade de utilizar um robô autônomo para a realização de algumas dessas operações. É proposta uma configuração para o robô, são realizadas modelagens analíticas e numéricas e é construída uma versão simplificada. Os modelos são então validados com dados de campo e experimentalmente. Uma das partes mais desafiadoras desse trabalho é o desenvolvimento de um sistema confiável de localização. Normalmente, a localização no interior de poços é realizada com a utilização de cabos ou de tubos de aço. Como o robô proposto não está conectado a um cabo, é necessária uma alternativa. Uma possível solução é explorada, baseada na fusão de dois sensores: um encoder e um sensor magnético. Para essa fusão, diversas técnicas probabilísticas e não-probabilísticas são consideradas. É analisada a utilização do Filtro de Kalman, do Seguimento Multi-Hipótese, do Filtro por Histograma e do Filtro de Partículas. O Filtro Histograma apresentou o melhor desempenho nesta aplicação, com erro máximo inferior a 10 m em deslocamentos de mais de 1.000 m, ou 1%. Com isso, conclui-se que é possível utilizar um robô autônomo para a realização daquelas operações de manutenção nos poços e que esses robôs são capazes de determinar sua localização com precisão aceitável.

Tese: Sistema híbrido para detecção de delaminações em materiais compósitos

Aluno(a) : Leonardo Pedrosa Salvini
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/08/2016
Local:

Resumo: O aumento dos custos relacionados aos processos de manutenção em estruturas como aeronaves, aliadas à crescente demanda das mesmas, alimentam a necessidade de investimentos em técnicas inovadoras de monitoramento estrutural. Dessa forma, o trabalho realizado nesta dissertação, busca o desenvolvimento de uma técnica de monitoramento ativo, visando o acompanhamento de parâmetros da estrutura analisada, a fim de identificar e caracterizar processos de dano não visíveis, tais como delaminação em materiais compósitos laminados. A metodologia empregada teve como base a análise dos padrões de deformação superficial, obtidos com o uso de grades de sensores à fibra óptica baseadas em redes de Bragg (FBG). Tais padrões foram provocados por atuadores PTZ fixados à estrutura, através de uma varredura de frequência. Esta técnica apresenta todas as vantagens dos sensores FBG (massa e dimensões reduzidas, imunidade eletromagnética, elevado poder de multiplexação e alta sensibilidade entre outras), além de permitir a visualização de alterações nos padrões de deformação na ordem de me, provocados por danos, através da variação da frequência de excitação.

Tese: Desenvolvimento e Simulação de um Controlador Semiautônomo Baseado em Inteligência Artificial para Viaturas Militares - Aplicações da Família de Blindados GUARANI

Aluno(a) : Hebert Azevedo Sá
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/17/2015
Local:

Resumo: O objetivo deste trabalho é investigar a utilização de um Sistema de Inferência Fuzzy para projetar um sistema de controle semiautônomo adequado a veículos militares, a partir do qual serão definidos valores para o Nível de Intervenção de um controlador automático. São apresentados conceitos básicos sobre a aplicação de Sistemas de Inferência Fuzzy para a concepção de um ponderador de sinais e sobre a teoria de Controladores Preditivos Baseados em Modelo, utilizados na implementação do sistema proposto. A partir da modelagem matemática do sistema dinâmico veicular foram obtidos resultados de simulações do veículo militar enquanto operado em situações perigosas e em que se faça necessária a intervenção do controlador, por exemplo, na presença de ameaças inimigas hostis ou em manobras altamente desestabilizadoras. O comportamento da variável de intervenção do controlador é apresentado através das suas curvas de evolução, e indica o seu aumento de acordo com o crescimento do nível de ameaça para a qual o veículo está exposto. Os resultados são analisados criticamente, e conclui-se que o uso do sistema proposto resultará em um aumento qualitativo na segurança do veículo, tornando-se um sistema militar mais eficiente, com maior capacidade operacional além de melhorar as habilidades de seu condutor.

Tese: Projeto e controle de movimento de uma bengala robótica omnidirecional para assistência de deficiências motoras

Aluno(a) : Giovanny Alberto Meneses Arboleda
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/30/2015
Local:

Resumo:

A robótica já é parte importante da vida cotidiana, em especial na grande ajuda que pode promover para melhorar a qualidade de vida, mostrando-se como uma ótima opção, por exemplo, para a reabilitação física no corpo humano. O presente trabalho apresenta um projeto e um estudo de controle de movimento de uma plataforma robótica - uma bengala - controlada por meio de sensores de força nela localizados, fazendo com que o registro dos movimentos do usuário seja feito de forma não-invasiva. O protótipo se desloca por meio de três rodas omnidirecionais, acionadas por motores elétricos de corrente continua. Estes últimos têm facilidade no controle e são de baixo custo. A bengala é fabricada em alumínio para facilitar o seu transporte devido à baixa densidade desse material, além de apresentar uma boa usinabilidade, facilitando a sua fabricação. O sistema eletrônico consiste de três etapas: (i) circuito de aquisição de ponte de Wheatstone para os extensômetros; (ii) amplificação e filtragem feitas com amplificadores de instrumentação e filtros passa baixa Butterworth; e (iii) processamento e controle, implementado em dois microcontroladores PIC. O controle da bengala é baseado em admitância em paralelo com um controle PI linear, o qual pretende promover ao usuário uma sensação de naturalidade ao caminhar, sem esforços adicionais significativos e com rápida resposta. Em particular, o sistema pretende detectar situações de queda iminente do usuário, cenário não incomum no uso por idosos.

Tese: Estudo da viabilidade da substituição do anel de desgaste fixo por flutuante em bombas centrífugas

Aluno(a) : Renner Guilherme da Costa Marques
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/21/2015
Local:

Resumo:

Grande parte dos sistemas de bombeamento existentes em refinarias é do tipo centrífuga com rotor em balanço. Alguns desses sistemas, que foram fabricadas antes da década de 80, ainda estão sendo usadas em refinarias no Brasil. Tipicamente estes equipamentos possuem rotores muito flexíveis. Isto ocorre devido ao alto valor da razão entre a distância entre mancais e o diâmetro do eixo e também por causa da substituição de gaxetas, que oferecem rigidez, por selos mecânicos. Como consequência, a resposta dinâmica destes equipamentos é sensível à pequenas variações da folga entre os anéis de desgaste. O desgaste devido a erosão e ao contato entre as superfícies aumentam a folga, causando aumento da vibração e redução de eficiência, pois aumenta a vazão através dos anéis. Visando contribuir para a solução destes inconvenientes na operação de bombas centrífugas, o presente trabalho investigou a viabilidade de substituir o anel de desgaste estático por flutuante através de análise rotodinâmica com o auxílio dos softwares ROMAC e XLTRC2. A anel flutuante proporcionaria a redução da erosão e aumento da eficiência de bombeio, proporcionado pela montagem com folga reduzida. Outra vantagem é a redução da resposta ao desbalanceamento causado pelo aumento da rigidez e amortecimento. A desvantagem de usar anel flutuante é que este deve ser projetado para cada condição operacional.

Tese: Dinâmica de uma coluna rotativa esbelta sujeita à ação de stick-slip em duas regiões distintas

Aluno(a) : Adriano Domeny dos Santos
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/31/2015
Local:

Resumo:

Este trabalho apresenta um estudo do comportamento dinâmico de uma bancada de testes representativa do sistema real de perfuração, composta por um motor CC acoplado a um sistema físico torcional, sujeita a fontes de atrito que induzem um regime de stick-slip no sistema em duas regiões distintas. O estudo incluiu a identificação de parâmetros da bancada de testes por meio de uma série de ensaios experimentais; e a caracterização do atrito, por meio do levantamento experimental da curva do coeficiente de atrito, em função da velocidade angular dos rotores principais. O intuito inicial foi a obtenção de um modelo numérico que fosse o mais simples possível e que representasse bem a bancada de testes. Uma vez obtido o modelo numérico, prosseguiu-se com uma série de simulações que permitissem uma caracterização indireta do regime de atrito ao qual estivessem submetidos os rotores principais, partindo-se apenas de medições de parâmetros no motor. Esse estudo é de grande relevância para a compreensão qualitativa da dinâmica do sistema real de perfuração, uma vez que ainda hoje não há técnicas totalmente confiáveis para caracterização do comportamento da coluna no fundo do poço a partir de dados da superfície somente.

Tese: Determinação de trajetórias ótimas em circuitos fechados com restrições dinâmicas e geométricas

Aluno(a) : Vivian Suzano Medeiros
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/10/2015
Local:

Resumo:

O presente projeto de pesquisa objetiva desenvolver um procedimento para determinação de trajetórias ótimas em pistas de corrida baseado em técnicas de otimização, considerando os limites geométricos da pista e as características dinâmicas do veículo. O veículo será representado por meio de um modelo simplificado de partícula orientada, mas que inclui as capacidades de tração, frenagem e aceleração normal típicas de um veículo terrestre de competição. Primeiramente, é determinada a trajetória de tempo mínimo para uma curva de 90° por meio da análise geométrica do problema e em seguida, é obtida a solução analítica geral para aplicação a qualquer ângulo. Em seguida, técnicas de otimização com restrição são empregadas de forma a obter a curva de menor tempo que concatena as trajetórias ótimas individuais de cada curva, previamente determinadas. São estudadas, ainda, as características dinâmicas de algumas curvas polinomiais para inferir aquela que melhor pode ser aplicada no processo de concatenação. A trajetória de menor tempo da pista de corrida obtida pelo procedimento de concatenação é apresentada e é feita uma análise das vantagens e desvantagens do método proposto. Como alternativa, é apresentada uma visão geral do problema de controle ótimo e é formulada a modelagem completa do problema de trajetória de mínimo tempo utilizando esta abordagem, incluindo as restrições dinâmicas do veículo e as restrições geométricas da pista. Algumas técnicas possíveis para solução do problema de controle ótimo são sugeridas.

Tese: Simulação de tensões residuais de soldagem e seu alívio por teste hidrostático

Aluno(a) : Vitor Eboli Lopes Paiva
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/06/2015
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Resumo:

A soldagem é o principal processo de união de componentes estruturais, sendo aplicado em larga escala na indústria. No entanto os ciclos térmicos existentes na soldagem geram nos componentes tensões e deformações residuais, que agem como solicitações pré-existentes, podendo ocasionar a falha prematura dos mesmos. As metodologias existentes para previsão das tensões residuais apenas quantificam conservadoramente esses esforços em um número limitado de geometrias. Nesse trabalho foi desenvolvida uma metodologia numérica usando o método de elementos finitos para a simulação da soldagem de componentes, com foco nas tensões, deformações e distorções causadas durante o processo. Os modelos estudados trataram da união de elementos planos, como chapas e painéis, da fabricação de elementos tubulares, como de dutos e de sua montagem em campo, e da união por soldagem das partes de um vaso de pressão. Foi estudada a influência de diversos parâmetros no comportamento da estrutura como: número de passes, velocidade de soldagem, comportamento do material, e influência do tratamento mecânico de alívio de tensões por meio da simulação de testes hidrostáticos aplicados aos componentes tubulares e ao vaso de pressão. No caso das placas unidas pela soldagem e dos tubos fabricados por este processo, a validade dos resultados obtidos foi feita por meio de medições experimentais realizadas com as técnicas de furo cego, corte elíptico e difração de raios X. Verificou-se uma boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais, onde foi possível a obtenção de resultados experimentais para comparação. As simulações apontaram nos espécimes altos valores de tensões residuais, por vezes da ordem do limite de escoamento do material, sendo observada tração na região do cordão de solda e compressão em sua adjacência. Esse resultado é esperado uma vez que no cordão de solda são localizados os maiores gradientes de temperatura e as maiores restrições à expansão volumétrica. As simulações mostraram que a aplicação de um teste hidrostático tem como efeito benéfico para o componente a redistribuição das tensões residuais, com consequente diminuição das tensões residuais trativas nos cordões de solda. O grau do alívio das tensões é influenciado pelo valor da pressão de teste; sendo que, em geral, verificou-se que tanto maior a pressão de teste, tanto maior a redistribuição de tensões.

Tese: Análise de eficiência e controle de um sistema integrado roda-motor elétrico

Aluno(a) : Daniel Zacarias Freitas
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/30/2015
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Resumo: Esta dissertação apresenta o estudo para o desenvolvimento de um powertrain elétrico com motorização independente na massa não suspensa do veículo, acoplado diretamente nas rodas “In Wheel” ou “Hub-Motor”. O desenvolvimento do sistema proposto visa à maximização da eficiência dos veículos elétricos pela minimização das perdas relacionadas a sistemas mecânicos, como na transmissão convencional utilizada em veículos com motorização única. Outro fator motivador para o desenvolvimento do powertrain com motorização independente é a aplicação de controles independentes para cada roda, possibilitando desenvolver e aplicar uma gama de controles no veículo, os quais com a motorização única não são possíveis ou possuem desempenho não satisfatório. O trabalho apresenta uma visão geral sobre os veículos elétricos, o estudo do comportamento dinâmico vertical com o aumento da massa não suspensa do veículo, desenvolvimento de um controle de velocidade para o powertrain proposto, desenvolvimento de um controle de frenagem ABS elétrico, simulação do sistema em ciclos de direção com o cálculo da eficiência energética do powertrain, e um experimento em um dinamômetro de bancada para validação da eficiência energética dos ciclos simulados.

Tese: Avaliação da força motriz do crescimento de trincas por fadiga, com ensaios em deformação plana e em tensão plana, com delta K constante

Aluno(a) : Julian Andres Ortiz Gonzales
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/14/2015
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Resumo: Na atualidade, existe uma discuss

Tese: Cycle counting methods for load-time-histories typical for power plant applications

Aluno(a) : Felippe Moraes Silva Costa
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/08/2015
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Resumo:

Componentes estruturais de usinas térmicas para geração de energia sofrem transientes térmicos durante a operação da planta devido a partidas e paradas, variações de potência requerida e ocorrências causadas por anomalias. Estes transientes térmicos geram distribuições de temperaturas não uniformes ao longo da espessura dos componentes e, consequentemente, geram tensões térmicas. As variações destas tensões ao longo do tempo podem causar fadiga nos pontos mais solicitados destes componentes. A análise de fadiga para um ponto crítico do componente fornece o dano acumulado por meio do fator acumulado de dano ou CUF. O cálculo do CUF é feito baseado no conhecimento das histórias de tensões e deformações que ocorrem nos pontos críticos, no uso de modelos de geração de dano ciclo a ciclo e no uso de algoritmos para contagem de ciclos. Esta dissertação apresenta e discute modelos de dano a fadiga e suas associações aos modelos de contagem de ciclos existentes que são possíveis de serem aplicadas a componentes de usinas térmicas. Uma seleção de combinações entre modelos de dano e métodos de contagem foram utilizadas em dois exemplos nomeados estudos de caso.

Tese: Controle de veículos aéreos quadrirotores: uso de filtros de Kalman para minimização de erros na unidade de medida inercial

Aluno(a) : Marcos Soares Moura Costa
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/15/2014
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Resumo: Quadrirrotores são veículos aéreos que possuem quatro rotores fixos e orientados na direção vertical. Devido à sua simplicidade mecânica frente aos helicópteros tradicionais, os mesmos têm se tornado cada vez mais populares nos meios de pesquisa, militares e, mais recentemente, industriais. Essa topologia de veículo data do início do século XX mas o desenvolvimento em escala só foi possível após a recente evolução e miniaturização dos sistemas eletrônicos embarcados, dos motores elétricos e das baterias. A movimentação desses veículos no espaço é possível graças à sua inclinação em relação ao solo e, para tal, é imprescindível obter e controlar corretamente a atitude do mesmo. As unidades de medidas inerciais (IMU) surgiram como uma solução para esse problema. Através da fusão dos dados obtidos com os sensores presentes nessas centrais (acelerômetros, girômetros e magnetômetro) é possível estimar a atitude do veículo. O presente trabalho apresenta soluções tanto para a estimativa quanto para o controle de atitude de quadrirrotor. Os modelos matemáticos desenvolvidos são validados em simulações numéricas e em testes experimentais. O objetivo é que as soluções propostas apresentem resultados positivos para que possam ser empregadas nos quadrirrotores em escala.

Tese: Toward GPU-Based ground structures for large scale topology optimization

Aluno(a) : Arturo Eli Cubas Rodriguez
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/09/2014
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Resumo: Topology optimization aims to find the most efficient material distribution in a specified domain without violating user-defined design constraints. When applied to continuum structures, topology optimization is usually performed by means of the well-known density methods. In this work we focus on the application of its discrete formulation where a given domain is discretized into a ground structure, i.e., a finite spatial distribution of nodes connected using truss members. The ground structure method provides an approximation to optimal Michell-type structures, composed of an infinite number of members, by using a reduced number of truss members. The optimal least weight truss for a single load case, under linear elastic conditions, subjected to stress constraints can be posed as a linear programming problem. The aim of this work is to provide a scalable implementation for the optimization of least weight trusses embedded in any domain geometry. The method removes unnecessary members from a truss that has a user-defined degree of connectivity while keeping the nodal locations fixed. We discuss in detail the scalable implementation of the ground structure method using an efficient and robust interior point algorithm within a parallel computing environment (involving Graphics Processing Units or GPUs). The capabilities of the proposed implementation is illustrated by means of large scale applications on practical problems with millions of members in both 2D and 3D structures.

Tese: Análise de componentes de dutos com perdas de espessura e reparos com materiais compósitos

Aluno(a) : John Steven Castellanos Prado
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/02/2014
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Resumo:

Neste trabalho foram estudados quatro geometrias de componentes tubulares, para trabalho sob pressão interna, que continham defeitos tipo perda de espessura metálica em regiões de sua superfície externa e que foram reparados por dois sistemas de materiais compósitos. As seguintes geometrias de espécimes tubulares foram estudadas: dutos com redução de diâmetro, dutos curvados a frio, dutos curvados a quente e uniões tubulares em T. Os dois sistemas de materiais compósitos consistiram de um sistema com mantas de resina epóxi reforçadas por fibra de vidro (ERFV) e outro sistema com mantas de resina epóxi reforçadas por fibra de carbono (ERFC). O método de Elementos Finitos foi usado para simular o comportamento dos espécimes quando submetidos a testes hidrostáticos. As simulações levaram em consideração o comportamento do material dos tubos API 5L Grau B nas suas regiões elástica e plástica, e investigaram o aumento da resistência à ruptura dos tubos com defeitos proporcionados pela presença dos reparos compósitos. Os resultados obtidos com os modelos de elementos finitos, usados para as determinações de distribuições de deformações e de pressões de ruptura, foram comparados com resultados experimentais disponíveis para cada componente tubular. Os resultados destas comparações foram satisfatórios. Posteriormente, foram desenvolvidas equações para determinar espessuras otimizadas para os reparos e os resultados obtidos com estas equações foram comparados com os resultados das simulações por elementos finitos e outros resultados obtidos com equações disponíveis em normas pertinentes. Em conclusão, o método de elementos finitos usado neste trabalho simulou satisfatoriamente o comportamento em testes hidrostáticos de componentes tubulares tipo Tê, com redução concêntrica, curvados a quente e curvados a frio, com defeitos de perda de espessura metálica e que foram reparados com materiais compósitos. Por sua vez, os resultados numéricos auxiliaram na validação de equações analíticas simples que poderão ser usadas na determinação de espessuras otimizadas de sistemas de reparos com materiais compósitos.

Tese: Topology optimization using polyhedral meshes

Aluno(a) : Régis Santos Thedin
Orientador(a): Ivan Menezes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/30/2014
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Resumo: Topology optimization has had an impact in various fields and has the potential to revolutionize several areas of engineering. This method can be implemented based on the finite element method, and there are several approaches of choice. When using an element-based approach, every finite element is a potential void or actual material, whereas every element in the domain is assigned to a constant design variable, namely, density. In an Eulerian setting, the obtained topology consists of a subset of initial elements. This approach, however, is subject to numerical instabilities such as one-node connections and rapid oscillations of solid and void material (the so-called checkerboard pattern). Undesirable designs might be obtained when standard low-order elements are used and no further regularization and/or restrictions methods are employed. Unstructured polyhedral meshes naturally address these issues and offer fl exibility in discretizing non-Cartesians domains. In this work we investigate topology optimization on polyhedra meshes through a mesh staggering approach. First, polyhedra meshes are generated based on the concept of centroidal Voronoi diagrams and further optimized for finite element computations. We show that the condition number of the associated system of equations can be improved by minimizing an energy function related to the element s geometry. Given the mesh quality and problem size, different types of solvers provide different performances and thus both direct and iterative solvers are addressed. Second, polyhedrons are decomposed into tetrahedrons by a tailored embedding algorithm. The polyhedra discretization carries the design variable and a tetrahedra subdiscretization is nested within the polyhedra for finite element analysis. The modular framework decouples analysis and optimization routines and variables, which is promising for software enhancement and for achieving high fidelity solutions. Fields such as displacement and design variables are linked through a mapping. The proposed mapping-based framework provides a general approach to solve three-dimensional topology optimization problems using polyhedrons, which has the potential to be explored in applications beyond the scope of the present work. Finally, the capabilities of the framework are evaluated through several examples, which demonstrate the features and potential of the proposed approach.

Tese: Notch sensitivity in environmentally assisted cracking (EAC): methodologies and specimens analyses

Aluno(a) : Julio Cesar Costa Leite
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/20/2014
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Resumo: O fator semi-emp

Tese: Estabilidade de compressor centrífugo

Aluno(a) : Rogerio da Silva Campos
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/31/2014
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Resumo: Este trabalho analisa pequenas modifica

Tese: Identificação de parâmetros em sistemas mecânicos através da resolução do problema inverso com inferência estatística Bayesiana

Aluno(a) : Mario Germán Sandoval
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/30/2013
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Resumo:

O problema de estimação pode ser entendido como um caso particular dos problemas inversos. Dadas observações da resposta de um sistema para certas causas, deseja-se estimar certas características do sistema. Essas características, em um sistema dinâmico, geralmente são representadas por parâmetros. Assim, para uma representação físico-matemática do sistema, dada uma excitação e observando a resposta, é possível obter uma estimação dos parâmetros. A estimação paramétrica é de grande importância e utilizada em diversas situações, desde experimentalistas, ao observar fenômenos no laboratório, até quem estuda o comportamento de setores sociais por amostras populacionais. A parte inicial desta dissertação apresenta uma breve introdução ao problema inverso do marco da estatística Bayesiana. Neste marco trata-se a estimação paramétrica como resultado da resolução de um problema inverso. Duas técnicas de estimação s ao deduzidas a partir da inferência estatística Bayesiana. A primeira delas, mínimos quadrados, coleta todos os dados e logo faz a estimação. A segunda, filtro de Kalman (e filtro de Kalman extendido), melhora o estado do conhecimento dos parâmetros a serem estimados a cada nova observação. Para a abordagem destas técnicas de estimação, de modo de poder compará-las, é apresentada a resolução analítica de um sistema harmônico de um e dois graus de liberdade. Por último, é apresentada uma modelagem de uma bancada experimental, em escala de laboratório, que emula uma coluna de perfura ção acoplada a um motor. Esta bancada foi desenvolvida para estudos de dinâmica torcional, na dissertação de mestrado de Bruno C. Cayres A., de modo que aqui só é de interesse a caracterização da mesma. As técnicas de estimação paramétrica são usadas de forma teórica, simulando os dados a partir de soluções analíticas para diferentes parâmetros da modelagem do motor e da coluna. Também usa-se medições feitas na bancada para estimar os parâmetros da modelagem, obtendo assim um conhecimento melhorado dos parâmetros envolvidos no sistema coluna-motor.

Tese: Numerical and experimental analysis of nonlinear torsional dynamics of a drilling system

Aluno(a) : Bruno Cesar Cayres Andrade
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/29/2013
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Resumo:

A successful oil and gas prospecting requires many efforts to overcome the encountered challenges, some of these challenges include drill string axial, lateral and torsional vibrations. These phenomena may cause premature component failures of the drilling system, dysfunction of measurement equipments, and increase time and costs of the prospecting process. Torsional vibrations are present in most drilling processes and may reach a severe state: stick-slip. An improved understanding about the stick-slip phenomenon provides tools to avoid the increase of prospecting time and costs, assuring the investment and success of the drilling process. Firstly, a numerical analysis of the drill string is performed with different friction models. These models are proposed in order to get familiar with the drill string dynamics. Also, it is described the experimental procedure with a nonlinear friction aiming to induce stick-slip and is performed a simple analytical modeling of the problem. The friction model is based on dry friction imposed by a break device. The nonlinear behavior of the experimental apparatus is analyzed and the numerical model is validated comparing experimental and numerical bifurcation diagrams.

Tese: Identificação de parâmetros e calibração do modelo dinâmico de um veiculo terrestre

Aluno(a) : Abel Arrieta Castro
Orientador(a): Sergio Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/09/2013
Local:

Resumo:

Atualmente nos veículos terrestres a melhora de seu desempenho é permanente. Esta melhora, em grande parte está relacionada com seus sistemas de controle. Para o desenho de sistema de controle, tais como, sistema eletrônico de estabilidade ou controle anti-capotagem é preciso prever o comportamento do veículo sob certas condições dinâmicas. Esta predição do comportamento dinâmico do veículo é feita por meio de modelos matemáticos que dependem diretamente de seus parâmetros, tais como a massa, a posição do centro da gravidade, os momentos de inércia entre outros. Tendo em consideração o contexto apresentado, os parâmetros dinâmicos do veículo tem um papel fundamental na melhora do desempenho do veículo, assim como a otimização de seus subsistemas. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um procedimento de estimação dos parâmetros dinâmicos do veículo e a calibração do modelo matemático desenvolvido. Para o processo de estimação se desenvolvem dois modelos do veículo, um feito em MATLAB com 4 graus de liberdade (GDL) e ou outro é trabalhado como uma caixa preta (black-box), que é obtida por meio da biblioteca de ligações dinâmicas (DLL) de um programa de simulação veicular. Métodos de otimização, tais como Evolução Diferencial, Generalized Pattern Serach, Mesh Adaptative Pattern Search e Nelder Mead, são utilizados para estimar os parâmetros dinâmicos do veículo, isto por meio da minimização de um objetivo definido como a diferença entre a resposta real do veículo (obtida do programa de simulação veicular) e a calculada por cada método de otimização. Os parâmetros dinâmicos estimados com o melhor método de otimização, são inseridos no modelo matemático feito em MATLAB para calibrar o modelo. Finalmente, o modelo já calibrado é simulado com diferentes manobras para comprovar a robustez do método e a coerência dos parâmetros estimados.

Tese: Efeito da sensibilidade ao entalhe em condições de trincamento assistido pelo meio

Aluno(a) : Rodrigo Vieira Landim
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/24/2013
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Resumo:

Tese: Caracterização do Comportamento Dinâmico de Componentes de um Sistema Pneumático de Atuação para Controle de Sistemas Mecânicos em Escala

Aluno(a) : Marilia Maurell Assad
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/19/2013
Local:

Resumo: Sistemas pneumáticos são equipamentos leves, baratos, limpos e de baixo risco, sendo apropriados para aplicações que necessitem de força e rapidez de resposta. Por outro lado, esse tipo de sistema apresenta restrições devido à principal característica do ar: sua compressibilidade confere efeitos não lineares ao sistema, desde um escoamento turbulento pelas válvulas de controle até sua atuação dentro do cilindro – a qual inclui alta sensibilidade ao atrito e volumes inativos durante o curso do pistão. Essas características particulares dificultam seu controle e posicionamento preciso e limitam sua aplicação, principalmente considerando seu emprego em um mecanismo tipo Plataforma de Stewart em escala reduzida. No presente trabalho apresenta-se a modelagem, simulação computacional e análise experimental do comportamento dinâmico de um sistema de atuação pneumático que inclui uma válvula de controle de vazão não convencional, composta de quatro válvulas proporcionais, e um atuador com haste simples de dupla ação. O objetivo deste trabalho é, baseado nos resultados experimentais, determinar as características desses componentes para desenvolver estratégias de controle em tempo real capazes de minimizar os efeitos das não linearidades típicas, visando sua utilização no mecanismo anteriormente mencionado.

Tese: Localização e mapeamento probabilístico simultâneos de robôs móveis em ambientes internos com um sensor de varredura a laser

Aluno(a) : Smith Washington Arauco Canchumuni
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/12/2013
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Resumo: Os Robôs Móveis são cada vez mais inteligentes, para que eles tenham a capacidade de semover livremente no interior deumambiente, evitando obstáculos e sem assistência de um ser humano, precisam possuir um conhecimento prévio do ambiente e de sua localização. Nessa situação, o robô precisa construir um mapa local de seu ambiente durante a execução de sua missão e, simultaneamente, determinar sua localização. Este problema é conhecido como Mapeamento e Localização Simultâneas (SLAM). As soluções típicas para o problema de SLAM utilizam principalmente dois tipos de sensores: (i) odômetros, que fornecem informações de movimento do robô móvel e (ii) sensores de distância, que proporcionam informação da percepção do ambiente. Neste trabalho, apresenta-se uma solução probabilistica para o problema SLAM usando o algoritmo DP-SLAM puramente baseado em medidas de um LRF (Laser Range Finder), com foco em ambientes internos estruturados. Considera-se que o robô móvel está equipado com um único sensor 2DLRF, sem nenhuma informação de odometria, a qual é substituída pela informação obtida da máxima sobreposição de duas leituras consecutivas do sensor LRF, mediante algoritmos de Correspondência de Varreduras (Scan Matching). O algoritmo de Correspondência de Varreduras usado realiza uma Transformada de Distribuições Normais (NDT) para aproximar uma função de sobreposição. Para melhorar o desempenho deste algoritmo e lidar com o LRF de baixo custo, uma reamostragem dos pontos das leituras fornecidas pelo LRF é utilizada, a qual preserva uma maior densidade de pontos da varredura nos locais onde haja características importantes do ambiente. A sobreposição entre duas leituras é otimizada fazendo o uso do algoritmo de Evolução Diferencial (ED). Durante o desenvolvimento deste trabalho, o robô móvel iRobot Create, equipado com o sensor LRF Hokuyo URG-04lx, foi utilizado para coletar dados reais de ambientes internos, e diversos mapas 2D gerados são apresentados como resultados.

Tese: Análise numérica e experimental de endentação em membranas hiperelásticas planas

Aluno(a) : Guilherme Rodrigues Sampaio de Paula
Orientador(a): Hans Weber e Djenane Pamplona
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/09/2013
Local:

Resumo:

O estudo do comportamento de membranas quando expostas a pressões e tensões de diverssos tipos, assim como de suas propriedades mecânicas nos últimos anos vem recebendo uma notável atenção em razão da variada aplicabilidade das membranas nas mais diversas áreas da engenharia, incluindo atuadores, robótica, sensores, aeroespacial, bioengenharia e estruturas infláveis para engenharia civil. Neste trabalho será apresentado um estudo numérico e experimental de uma membrana sujeita a uma endentação e perfuração transversalmente ao seu plano indeformado, considerando-se a presença do atrito na interface membrana-endentor, fato que torna esse estudo pioneiro nesta análise. Os estudos numéricos foram feitos no software Abaqus CAE. Os ensaios experimentais têm por objetivo comprovar os resultados numéricos e assim validá-los. Foram desenvolvidos aparatos experimentais dedicados aos ensaios pretendidos devido à ausência de equipamentos no mercado que pudessem reproduzir tais ensaios.

Tese: Controle de Torque de um Exoesqueleto Atuado por Músculos Pneumáticos Artificiais Utilizando Sinais Eletromiográficos

Aluno(a) : João Luiz Almeida de Souza Ramos
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/08/2013
Local:

Resumo:

A robótica aplicada à reabilitação e amplificação humana está em uma fase iminente de se tornar parte de nossa vida diária. A justaposição da capacidade de controle humana e o poder mecânico desenvolvido pelas máquinas oferecem uma promissora solução para auxílio físico e de amplificação humana. O presente trabalho apresenta um exoesqueleto ativo para membros superiores controlado por uma alternativa e simples Interface Homem-Máquina (HMI) que utiliza o Modelo Muscular de Hill para aumentar a força e resistência mecânica do usuário. Músculos Pneumáticos Artificiais (PAM) são utilizados como atuadores por sua alta razão entre potência e peso e atuam o sistema através de um esquema com cabos de aço. Algoritmos Genéticos (GA) aproximam localmente os parâmetros do modelo matemático do atuador e o modelo fisiológico do músculo, que utiliza sinais eletromiográficos superficiais (sEMG) para estimar o torque na articulação do exoesqueleto. A metodologia proposta oferece três vantagens principais: (i) reduz o número de eletrodos necessários para monitorar a atividade muscular, (ii) elimina a necessidade de transdutores de força ou pressão entre o exoesqueleto e o usuário ou o ambiente e (iii) reduz o custo de processamento em tempo-real, necessário para implementações de sistemas embarcados. O exoesqueleto é restrito ao membro superior direito e a estratégia de controle é avaliada verificando o desempenho do usuário ao manipular uma carga de 3.1kg estática e dinamicamente com e sem o auxílio do equipamento assistivo.

Tese: Análise do uso de pinos ativos em mancais de segurança

Aluno(a) : Cesar Augusto Lampe L. da Fonseca
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/01/2013
Local:

Resumo: Este trabalho pretende demonstrar a possibilidade de usar pinos ativos em máquinas rotativas de forma a reduzir as amplitudes de órbitas em situações críticas através de uma investigação analítica com validação experimental. Os pinos funcionam como medida de segurança quando o rotor se torna instável ou começa a oscilar por qualquer razão. Para este propósito, foi realizado um estudo completo da influência da presença dos pinos dentro do mancal de retenção. Quatro pinos foram posicionados em duas bancadas de testes já existentes no laboratório. A atuação deles provém de motores de passo, que os inserem até um determinado comprimento na parte interna do mancal, isto é, a folga radial entre o rotor e a parede do mancal. Primeiramente, uma análise matemática dos fenômenos envolvidos foi desenvolvida, fornecendo as equações necessárias para as simulações numéricas do sistema. Em seguida, foram realizados testes experimentais nas bancadas e informações relevantes foram adquiridas e comparadas com os resultados das simulações. Eles demonstraram estar consistentes, o que ajudou a validar o conceito de inserção de pinos ativos no mancal de segurança, de modo a evitar possíveis condições perigosas, como atrito, roçamento total e efeitos abrasivos.

Tese: Linear-elastic three-dimensional effects in notch and crack tip fields

Aluno(a) : Rafael Cesar de Oliveira Góes
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/22/2013
Local:

Resumo:

Notches and cracks are usually treated as two-dimensional problems in most structural design and analysis tasks, employing 2D limit solutions obtained from plane elasticity theories to evaluate the severity of stress/strain concentration effects around their tips. However, due to restrictions to the Poisson strains induced by the stress gradients around such tips, these regions may be affected by important three-dimensional effects that can affect their stress/strain fields and possibly lead to non-conservative damage and life predictions if neglected. Fatigue crack initiation, plastic zone size and shape estimation, and plane stress/plane strain dominance issues on K-controlled fields are typical examples of problems sensible to such effects. Linear Elastic Finite Element techniques are used to simulate 3D effects along notch fronts, such as how the thicknessto-notch root radius Beta/Rho affects the stress and strain fields that surround them. The inuence of such 3D effects is evaluated from the structural design point of view. Then versatile submodeling techniques are used to study similar 3D effects along the fronts of short and long cracks. Finally, a stepwise remeshing routine is used to show how an initially straight crack must slightly curve its front during its propagation by fatigue.

Tese: Análise e validação experimental do sistema de monitoramento e controle empregado em um veículo autí´nomo em escala

Aluno(a) : Helton Rodrigo de Souza Sereno
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/05/2012
Local:

Resumo: Estudos na área de veículos autônomos tem se apresentado de grande interesse na comunidade científica pela grande diversidade de aplicação. A utilização de veículos em escala tem sido uma alternativa de baixo custo e boa confiabilidade de resultados na análise do comportamento de veículos reais. O desenvolvimento de sistemas de controle aplicados em veículo utilizam diversos tipos de sensores. A motivação para o desenvolvimento deste trabalho é o início dos estudos visando o controle autônomo de um veículo em escala a partir de sensores de baixo custo com baixa capacidade de processamento, sem a necessidade de comunicação com computadores externos. Foram realizados testes de validação de uma Unidade de Medida Inercial (IMU) e análises utilizando um veículo elétrico em escala e medições das suas acelerações lineares e velocidades angulares em determinadas condições de movimento. Os resultados obtidos apontam a utilização das Unidades de Medida Inercial comerciais de baixo custo como componentes para controle embarcado de veículos em escala, desde que seja realizado um pós-processamento adequado dos sinais medidos através de seus acelerômetros e girômetros

Tese: Modelagem e simulação de uma plataforma de Stewart controlada usando sensores inerciais

Aluno(a) : Allan Nogueira de Albuquerque
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/31/2012
Local:

Resumo: Simuladores de movimentos sío sistemas mecatrônicos que reproduzem as principais atitudes e movimentos de um veículo. Neste estudo serío analisados simuladores baseados em mecanismos com 3 e 6 graus de liberdade. No segundo caso, o mecanismo é capaz de reproduzir todos os ângulos de atitude (rolagem, arfagem e guinada) e todos os deslocamentos lineares (lateral, vertical e longitudinal) com limitações, porém com amplitude suficiente de modo a possibilitar os principais movimentos associados ao veículo. O uso de transdutores de deslocamento linear nestes mecanismos articulados introduz elevados efeitos de inércia, além de aumentar a massa dos mesmos, diminuindo sua relação carga/peso e sua eficiência. Atualmente, o grande desenvolvimento de sensores do tipo unidade de medição inercial (IMU) aumentou a disponibilidade destes no mercado e reduziu muito seu custo. Como se trata de acelerômetros triaxiais em conjunto com girômetros também triaxiais, sensores como este podem ser usados para determinar a posição e a orientação no espaço de mecanismos com seis graus de liberdade, como a Plataforma Stewart. Neste trabalho será desenvolvida uma metodologia para modelagem da cinemática de mecanismos paralelos baseada nos derivativos de suas matrizes Jacobianas. Esta metodologia é avaliada em um mecanismo paralelo plano de três graus de liberdade e em uma Plataforma Stewart. Com a metodologia de modelagem validada, é implementada uma estratégia de controle baseada no uso de um sensor tipo central inercial para o controle de posição, velocidade e aceleração destes mecanismos. Os resultados das simulações indicam a possibilidade do uso destes sensores nestes tipos de equipamentos e apontam para a necessidade de avaliar esta metodologia em testes experimentais.

Tese: Desenvolvimento de uma bancada de testes para motores a combustão interna

Aluno(a) : Gustavo Vianna Cezar
Orientador(a): Sergio Braga e Julio Cesar Cuisano Egúsquiza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/24/2012
Local:

Resumo: Com o aumento das restrições às emissões e uma busca contínua pela melhora no desempenho dos motores a combustío interna, a necessidade de realizar testes em bancos de prova se torna cada vez maior. Porém, devido ao alto investimento inicial e custo de manutenção desses sistemas, a execução de ensaios confiáveis torna-se restrita a determinadas empresas e instituições acadêmicas. Neste cenário, o presente trabalho visa à integração de equipamentos e instrumentos, em sua grande maioria nacionais, através do desenvolvimento de um sistema de controle. O projeto pretende contribuir com a redução de custos dos bancos de prova e, ao mesmo tempo, possibilitar a realização de testes confiáveis. Serío descritas as etapas do projeto de uma bancada para ensaios de motores de até 175 cv, 587 Nm e 4.620 rpm. Testes foram conduzidos a fim de verificar o comportamento do banco em diferentes situações de operação. Os resultados obtidos mostram que o sistema é capaz de realizar os mais diversos ensaios que um banco de provas está sujeito com precisío e robustez.

Tese: Entalhes melhorados e otimizados

Aluno(a) : Daniel de Albuquerque Simíµes
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/23/2012
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Resumo: A maioria dos componentes estruturais possui entalhes ou detalhes geométricos de transição, tais como furos e ombros, que sío necessários para montar e/ou para operá-los. Estes entalhes aumentam localmente as tensões nominais que atuariam em sua localização, caso eles nío existissem. Efeitos da concentração de tensío sío importantes em muitos mecanismos de falha, como por exemplo, na iniciação de trincas por fadiga. No entanto, os tradicionais raios circulares, usados na maioria dos elementos estruturais para aliviar os efeitos da concentração de tensío, nío sío os mais adequados para minimizá-los. Elementos estruturais naturais, tais como galhos de árvores, depois de milhões de anos de evolução aprenderam a usar raio de curvatura variável em vez do raio constante. Mas apesar deste problema ter sido reconhecido há muito tempo, raios variáveis ainda nío sío muito usados em projeto mecânico. A prática usual é especificar entalhes com os maiores raios possíveis, uma vez que eles podem ser facilmente fabricados em máquinas-ferramentas tradicionais. Entretanto, entalhes de raios variáveis corretamente especificados podem ter fatores de concentração de tensío muito mais baixos do que aqueles obtidos por raios constantes. Logo, eles podem ser uma boa opção para aumentar a vida à fadiga, sem afetar significativamente as dimensões globais e o peso dos componentes estruturais. Além disso, hoje em dia eles podem ser facilmente fabricados com precisío, devido à disponibilidade de máquinasferramentas CNC. Esta dissertação tem como objetivo quantificar a melhoria da concentração de tensío que pode ser obtidas através de receitas tradicionais de raios variáveis, e apresenta uma rotina numérica desenvolvida em ANSYS APDL para otimizar geometria de entalhes, tais como ombro de placas submetidas a tensío ou flexío, placa com furo submetido a um campo biaxial de tensões e corpos de prova de fadiga da ASTM.

Tese: Projeto de um condicionador do ar de admissão para testes de motores

Aluno(a) : Marvin Aldo Chancán León
Orientador(a): Sergio Braga e Julio Cesar Cuisano Egúsquiza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/09/2012
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Resumo: Os laboratórios projetados para testes de motores de combustío interna trabalham sob normas que especificam métodos de ensaios aplicados à avaliação do desempenho do motor. Um motor veicular testado em um dinamômetro de bancada possui equipamentos auxiliares necessários para garantir condições de ensaio específicas, tal como a temperatura do ar de admissío, que deve ser mantida dentro dos valores indicados nas condições-padrío de referência da aplicação pretendida. Diante deste cenário, é evidente a importância de um estudo dos sistemas de condicionamento presentes nas salas de testes de motores. Esta dissertação apresenta o projeto, dimensionamento e simulação de um sistema de condicionamento que controla a temperatura e umidade do ar de admissío para realização de testes de motores de combustío dispostos em dinamômetros de bancada, independente das condições ambientais. A modelagem dinâmica do condicionador de ar e seus componentes (trocador de calor de água gelada, aquecedor elétrico e umidificador) foi implementada no EES. O sistema de controle PID com dois esquemas de ajuste de ganhos (utilizando a fórmula de Ziegler-Nichols, e auto-sintonizado on-line por um sistema supervisório fuzzy) foi desenhado no MATLAB. Para avaliar o desempenho do condicionador e do seu sistema de controle foi estabelecida uma comunicação através do intercâmbio dinâmico de dados entre o MATLAB e o EES. Um estudo de simulação comparativa entre ambos esquemas de ajuste dos controladores, mostra que a estratégia de controle fuzzy supervisório PID proposta permite obter um melhor desempenho dinâmico do sistema condicionador, em termos de estabilidade diante variações tanto na vazío quanto nas condições do ar de admissío, segundo os resultados obtidos na simulação com dados experimentais de um motor diesel testado sob o ciclo de ensaios dos 13 modos em estado estacionário (ESC test) para certificação de emissões.

Tese: Interface háptica de cinco graus de liberdade para teleoperação de manipuladores robóticos

Aluno(a) : Nilton Alejandro Cuellar Loyola
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/28/2012
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Resumo: O sucesso de diversas tarefas de teleoperação depende em grande parte da habilidade do operador e de sua capacidade de perceber o ambiente de trabalho. A realimentação visual em muitos casos nío é suficiente para promover esta percepção, por exemplo quando a qualidade da imagem do ambiente de trabalho é baixa, quando ocorrem oclusões na visualização, ou quando a tarefa envolve forças de contato associadas a folgas muito pequenas, visualmente imperceptíveis. Para compensar essas deficiências, os dispositivos hápticos surgem como uma alternativa à realimentação visual, uma vez que interagem com o usuário através do tato, produzindo uma sensação de força (force-feedback). O intuito da pesquisa nesta área é estudar a utilização de tecnologias hápticas para proporcionar ao operador uma força de retorno ao interagir remotamente com objetos, compensando eventuais deficiências em sistemas de visío por câmeras. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento e modelagem de um sistema de interface háptica de cinco graus de liberdade para a tele-operação de robôs manipuladores, com foco naqueles que realizam trabalhos em ambientes perigosos ou hostis ao ser humano. A interface é desenvolvida a partir do acoplamento de dois dispositivos hápticos comerciais “Novint Falcon”, de três graus de liberdade cada. O sistema háptico resultante do acoplamento pode ser modelado como um manipulador paralelo, capaz de fornecer ao operador, realimentação de força 3D (em três direções) e realimentação de torque em duas direções. Para demonstrar a eficiência do sistema háptico experimental desenvolvido, um ambiente virtual é implementado com o auxílio de técnicas de computação gráficae bibliotecas como OpenGL, ODE e Chai3D. Um dos benefícios de utilizar estas bibliotecas é proporcionar um maior grau de realismo na hora da realização de treinamentos para tele-operação de robôs reais. Os modelos cinemático e dinâmico de um manipulador serial Schilling Titan IV, de seis graus de liberdade, sío implementados no ambiente virtual, incluindo sua interação com objetos (virtuais) do ambiente de tele-operação. Controladores nío-lineares sío implementados no manipulador serial virtual, incluindo controle de torque computado, robusto, e por modos deslizantes. O sistema háptico experimental é entío utilizado para o controle do manipulador serial virtual em seu ambiente, para a execução de tarefas representativas de teleoperação envolvendo manipulação de objetos com forças de contato e inserção. Os experimentos demonstram uma diminuição significativa no tempo de execução das tarefas com o uso da interface háptica, em relação ao uso de um dispositivo de entrada sem realimentação de força.

Tese: Controle de motores de passo aplicado a um manipulador robótico

Aluno(a) : William Schroeder Cardozo
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/27/2012
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Resumo: Motores de passo sío os motores mais utilizados em aplicações de controle de posicionamento em malha aberta. Entretanto, as limitações desta forma de atuação têm fomentado o desenvolvimento de novas técnicas que incorporem o controle em malha fechada. Motores de passo possuem boa relação entre torque e custo, tornando-os atraentes para aplicações em manipuladores robóticos. Mas as técnicas tradicionais de controle de manipuladores elétricos, que normalmente assumem o uso de motores de corrente contínua, apresentam baixo desempenho quando aplicadas a motores de passo, mesmo com o uso de sensores de posição. A forma mais comum de controle em malha fechada de motores de passo exige um encoder diretamente acoplado ao eixo do motor, formando um “sistema colocado”. No entanto, o projeto de muitos motores de passo nío permite este acoplamento. Nesses casos, é necessário instalar os encoders na estrutura do manipulador, separados dos atuadores, caracterizando um “sistema nío-colocado”, que tipicamente apresenta problemas de estabilidade. Este trabalho propõe uma técnica de controle que recebe a realimentação de um encoder, nío diretamente acoplado ao motor, e gera uma sequência de pulsos para o driver do motor de passo. Esse trem de pulsos é calculado de modo a nío exigir acelerações excessivas, e assim prevenir a perda de passo do motor. O modelo de um sistema robótico usando este controlador é desenvolvido e simulado em Simulink/MATLAB. Um manipulador robótico de seis graus de liberdade acionado por motores de passo é especialmente projetado e construído para validar a técnica de controle apresentada, controlado por um microcontrolador PIC18F2431. O manipulador desenvolvido é modelado, e sua dinâmica analisada através de simulações.

Tese: Comportamento coletivo em sistemas robóticos multi-agentes usando sensores virtuais

Aluno(a) : Pedro Bittencourt e Silva
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/26/2012
Local:

Resumo: Robótica coletiva de enxame é uma abordagem para o controle de sistemas robóticos multi-agentes baseada em insetos sociais e outros sistemas naturais que apresentam características de auto-organização e emergência, com aplicações disruptivas em robótica e inúmeras possibilidades de expansío em outras áreas. Porém, sendo um campo relativamente novo existem poucas plataformas experimentais para seu estudo, e as existentes sío, em sua maioria, especialmente desenvolvidas para tarefas e algoritmos específicos. Uma plataforma de estudos genérica para o estudo de sistemas robóticos coletivos é, por si só, uma tarefa tecnológica nío trivial além de ser um recurso valioso para um centro de pesquisas interessado em realizar experimentos no assunto. Neste trabalho dois importantes algoritmos de controle colaborativo multi-robôs foram estudados: busca do melhor caminho e transporte coletivo. Uma análise completa dos mecanismos biológicos, dos modelos lógicos e do desenvolvimento dos algoritmos é apresentada. Para realizar os experimentos uma plataforma genérica foi desenvolvida baseada nos robôs móveis “iRobotCreate”. Sensores virtuais sío implementados através de um sistema de visío computacional combinado com um simulador em tempo real. O sistema de sensores virtuais permite a incorporação de sensores ideais no sistema experimental, incluindo modelos mais complexos de sensores reais, e a possibilidade da adição de ruído simulador nas leituras. Esta abordagem permite também a utilização de sensores para detecção de objetos virtuais, criados pelo simulador, como paredes virtuais e feromônios virtuais. Cada robô possui um sistema eletrônico embarcado especialmente desenvolvido baseado em micro controlador ARM. A eletrônica adicionada é responsável por receber as leituras dos sensores virtuais através de um link de radio em um protocolo customizado e calcular, localmente, o comportamento do robô. Os algoritmos sío implementados na linguagem de alto nível Lua. Mesmo com as leituras dos sensores virtuais sendo transmitidas de um sistema centralizado é importante ressaltar que todo o algoritmo de inteligência é executado localmente por cada agente. As versões modificadas e adaptadas dos algoritmos estudados na plataforma com sensores virtuais foram analisadas, juntamente com suas limitações, e se mostraram compatíveis com os resultados esperados e acessíveis na literatura que utiliza sistemas experimentais mais específicos e mais dispendiosos. Portanto, a plataforma desenvolvida se mostra capaz como ferramenta para experimentos em controle de sistemas robóticos multi-agentes com baixo custo de implementação, além da inclusío, através do mecanismo de sensores virtuais, de sensores ainda em desenvolvimento ou comercialmente indisponíveis.

Tese: Monitoração de Defeitos por Corrosão em Estruturas Planas utilizando Sensores a Rede de Bragg

Aluno(a) : Darwin Gramer Falcón Soria
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/05/2011
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Resumo: O foco do presente trabalho é a deteção e o monitoramento de defeitos tais como perda de espessura por corrosío ou dano produzido por impacto em painéis metálicos planos. O sistema proposto emprega sensores de deformação a fibra óptica baseados em redes de Bragg, que possuem alta capacidade de multiplexação. Mapas das deformações produzidas na superfície da placa por um mesmo carregamento, cuja amplitude pode variar, sío continuamente comparados a um mapa de referência, obtido com a estrutura íntegra ou com um defeito já conhecido. Variações nos gradientes de deformações sío associadas ao surgimento ou crescimento de um defeito. Neste estudo, a metodologia foi avaliada através dos campos de deformação produzidos por carregamentos de tração em espécimes planos de alumínio contendo defeitos superficiais. Esses defeitos exemplificam danos causados por corrosío, e sío monitorados com arranjo de Redes de Bragg posicionadas ao longo da placa, no sentido das direções principais dos esforção. A abordagem do problema fundamenta-se na análise de dados experimentais e modelagem numérica por elementos finitos. Os resultados numéricos para as deformações sío comparados com dados experimentais. Esta técnica é utilizada para avaliar qualitativamente os defeitos em estruturas submetidas a carregamento estático. No final, conclui-se que esta metodologia pode ser aplicada alternativamente para monitorarção da perda de espessura por corrosío em dutos.

Tese: Controle de Posição de um Pêndulo Planar usando Rodas de Reação

Aluno(a) : Marcelo da Cruz Pereira
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/30/2011
Local:

Resumo: Esse trabalho apresenta o estudo, manipulação e controle de um sistema de 2 graus de liberdade conhecido como pendulo planar usando rodas de reação para alcançar uma certa posição, sendo o conceito básico desse sistema fundamentado na dinâmica de um pendulo invertido. Utilizou-se o controle clássico PID e também controle Fuzzy, sendo gerado um modelo matemático simulado valendo-se de MatLab para análise desses controles, através da ferramenta Simulink que permite um auto-ajuste para o sistema. O PID foi construído de acordo com esse auto-ajuste e também usando o método de Ziegler Nichols discutindo-se as diferenças entre os dois procedimentos. O controle Fuzzy foi elaborado montando-se o banco de regras adaptando a estratégia de controle para que se torne mais propícia para o sistema. Atrito nas juntas, e no motor foram contabilizados no modelo matemático. Por fim foi montado um modelo real usando uma placa de aquisição de dados em conjunto com o LabView para controle e uma placa microcontrolada chamada Arduino e um encoder para aquisição de ângulos. Erros de medição e desbalanceamento do sistema sío problemas que nío puderam ser totalmente eliminados, mas tentou-se reduzir ao máximo seus efeitos. Resultados numéricos e experimentais sío apresentados comparando cada controle e cada montagem e analisando as diferenças.

Tese: Análise de Vibrações Estocásticas em Sistemas Mecânicos

Aluno(a) : Roberta de Queiroz Lima
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/23/2011
Local:

Resumo: A parte inicial da dissertação apresenta uma discussío sobre o método de Monte Carlo e sobre geradores de amostras de variáveis aleatórias. Sío analisados geradores baseados em: congruência linear, Método da Transformada Inversa e, algoritmo de Metrópolis - Hastings (método de Monte Carlo com Cadeia de Markov MCMC). Posteriormente, sío apresentadas técnicas para a análise de vibrações estocásticas em sistemas mecânicos unidimensionais, multidimensionais e contínuos (barras e vigas). As propriedades dos sistemas sío consideradas determinísticas, e as forças sío caracterizadas por processos estocásticos. Ao longo das seções do trabalho, é mostrado como características da resposta do sistema em deslocamento (média, autocorrelação e densidade espectral) podem ser obtidas a partir das informações sobre o forçamento. A Transformada de Fourier, a função densidade espectral e a função de transferência sío importantes ferramentas utilizadas no estudo. No caso de sistemas multidimensionais, a análise é feita por dois métodos: Resposta ao Impulso e Modos Normais. Para os sistemas contínuos, é feita através do Método de Monte Carlo. Em cada realização do forçamento, uma aproximação para solução do problema é obtida pelo Método dos Elementos Finitos. Sío apresentados a formulação fraca da equação de movimento da viga e o modelo reduzido. Ao longo de todo o trabalho sío mostrados exemplos e resultados obtidos através de rotinas desenvolvidas em MATLAB.

Tese: Avaliação de um Novo Método para a Previsão da Pressão de Ruptura de Dutos que Contêm Colí´nias de Corrosão.

Aluno(a) : Luis Salomon Murillo Colquicocha
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/27/2011
Local:

Resumo: Neste trabalho avaliase-se uma metodología de cálculo para a previsío da pressío de falha de um duto que contêm colônias de corrosío, chamada " Método das Linhas Ortogonais de Ruptura (MLOR)". As colônias de corrosío sío representadas por defeitos retangulares, localizados na superfície externa do duto. O objetivo do MLOR é ser mais exato que os métodos semi-empíricos da ASME e DNV utilizados até o momento. O MLOR também tem como objetivo evitar resultados nío conservativos que podem ser obtidos com o método Mixed Type of Interacting (MTI). O MLOR apresenta outra forma de avaliar a perda de espessura efetiva de um grupo de defeitos. Ele propõe que se tracem linhas representativas do caminho pelo qual a ruptura do duto tem maior possibilidade de ocorrer, usando linhas paralelas às direções longitudinal e circunferencial do duto. Estas linhas sío chamadas de linhas ortogonais de ruptura (LOR). Também considera-se o emprego de um fator de resistência circunferencial f no cálculo de uma espessura efetiva para a colônia. Este fator multiplica somente os comprimentos das LOR que estiverem na direção circunferencial do duto. O material íntegro existente entre dois defeitos é considerado na resistência à ruptura por meio da seleção de um caminho crítico que une os defeitos retangulares e que usa as direções longitudinal e circunferencial. Para a avaliação do MLOR usou-se pressões de falha para tubos com colônias de defeitos determinados experimentalmente e já publicados, além de simulações numéricas feitas pelo método dos elementos finitos (MEF), utilizando-se para isto o software comercial ANSYS. Por fim, neste trabalho concluiu-se que o MLOR apresentou bons resultados (máximos erro médio igual a 3.27% e desvio padrío do erro igual a 1.90%) quando comparados com os resultados experimentais e numéricos, já publicados, de nove corpos de provas em tamanho real.

Tese: Mapeamento e Localização Simultânea de Robí´s Móveis usando DP-SLAM e um íšnico Medidor Laser por Varredura

Aluno(a) : Luis Ernesto Ynoquio Herrera
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/07/2011
Local:

Resumo: SLAM (Mapeamento e Localização Simultânea) é uma das áreas mais pesquisadas na Robótica móvel. Trata-se do problema, num robô móvel, de construir um mapa sem conhecimento prévio do ambiente e ao mesmo tempo manter a sua localização nele. Embora a tecnologia ofereça sensores cada vez mais precisos, pequenos erros na medição sío acumulados comprometendo a precisío na localização, sendo estes evidentes quando o robô retorna a uma posição inicial depois de percorrer um longo caminho. Assim, a única solução conhecida para melhoria de desempenho de SLAM é representando sua formulação usando teoria das probabilidades. O SLAM com Filtro Extendido de Kalman (EKF-SLAM) é uma solução básica, e apesar de suas limitações é a técnica mais popular. O Fast SLAM, por outro lado, resolve algumas limitações do EKF-SLAM usando uma instância do filtro de partículas conhecida como Rao-Blackwellized. Outra solução bem sucedida é o DP-SLAM, o qual usa uma representação do mapa em forma de grade de ocupação, com um algoritmo hierárquico que constrói mapas 2D bastante precisos. Todos estes algoritmos usam informação de dois tipos de sensores: odômetros e sensores de distância. O Laser Range Finder (LRF) é um medidor laser de distância por varredura, e pela sua precisío é bastante usado na correção do erro em odômetros. Este trabalho apresenta uma detalhada implementação destas três soluções para o SLAM, focalizado em ambientes fechados e estruturados. Apresenta-se a construção de mapas 2D e 3D em terrenos planos tais como em aplicações típicas de ambientes fechados. A representação dos mapas 2D é feita na forma de grade de ocupação. Por outro lado, a representação dos mapas 3D é feita na forma de nuvem de pontos ao invés de grade, para reduzir o custo computacional. É considerado um robô móvel equipado com apenas um LRF, sem nenhuma informação de odometria. O alinhamento entre varreduras laser é otimizado fazendo o uso de Algoritmos Genéticos. Assim, podem-se construir mapas e ao mesmo tempo localizar o robô sem necessidade de odômetros ou outros sensores. Um simulador em Matlab® é implementado para a geração de varreduras virtuais de um LRF em um ambiente 3D (virtual). A metodologia proposta é validada com os dados simulados, assim como com dados experimentais obtidos da literatura, demonstrando a possibilidade de construção de mapas 3D com apenas um sensor LRF.

Tese: Modelagem estocástica de voz e classificação dos sinais obtidos usando redes neurais artificiais

Aluno(a) : Josue Valentin Uscata Barrientos
Orientador(a): Rubens Sampaio e Edson Luiz Cataldo Ferreira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/30/2010
Local:

Resumo: O objetivo desta dissertação é classificar sinais de vozes, usando redes neurais, obtidos por meio de um modelo mecânico-estocástico para produção da voz humana, construído a partir de uma abordagem probabilística nío-paramétrica para considerar incertezas do modelo. Primeiro, uma rede neural artificial foi construída para classificar sinais de vozes reais, normais e provenientes de sujeitos com patologias nas cordas vocais. Como entradas da rede neural foram usadas medidas acústicas extraídas dos sinais glotais, obtidos por filtragem inversa dos sinais de vozes reais. Essa rede neural foi usada, posteriormente, para classificar sinais de vozes sintetizadas geradas por um modelo estocástico da produção da voz humana, no caso particular da geração de vogais. O modelo estocástico da produção da voz humana foi construído tomando por base o modelo determinístico criado por Ishizaka e Flanagan. Incertezas do modelo foram consideradas através de uma abordagem probabilística nío-paramétrica de modo que matrizes aleatórias foram associadas às matrizes de massa, rigidez e amortecimento do modelo. Funções densidade de probabilidade foram construídas para essas matrizes, usando o Princípio da Máxima Entropia. O método de Monte Carlo foi usado para gerar realizações de sinais de vozes. Os sinais obtidos foram entío classificados usando a rede neural construída previamente. Das realizações obtidas, alguns sinais de vozes foram classificados como normais, porém outros foram classificados como provenientes de sujeitos com patologias nas cordas vocais. Os sinais com características de patologia foram classificados em três grupos: nódulo, paralisia unilateral e outras patologias.

Tese: Modelagem e simulação de estruturas flexí­veis: cabos e placas

Aluno(a) : Euler Botelho Antunes
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/26/2010
Local:

Resumo: Este texto pode ser dividido em duas partes: a primeira trata da modelagem de sistemas dinâmicos, passando da chamada formulação forte ao importante conceito de formulação variacional, sem antes deixar de apresentar ferramentas básicas do cálculo variacional e o Princípio de Hamilton. Os conceitos sío exemplificados por duas estruturas que acompanham todo o texto: um cabo unidimensional e uma placa. Ainda na primeira parte, é apresentado o problema de autovalor de sistemas contínuos e sío mostradas as importantes propriedades dos operadores autoadjuntos. Ao longo desta etapa e no apêndice, soluções analíticas para o problema de autovalor sío desenvolvidas. Por serem as soluções analíticas dos problemas por demais engenhosas ou até mesmo impossíveis, outro caminho é proposto: a aproximação de soluções, sendo este o tema da segunda parte deste texto. Ela é iniciada pela apresentação de métodos de discretização de sistemas contínuos, sem deixar de exemplificá-los. Os métodos sío usados como ferramentas de aproximação dos modos de vibração. Sío abordados os Métodos de Ritz, de Galerkin e o da Colocação. As funções usadas no primeiro e no segundo sío dadas pelo Método dos Elementos Finitos e as aproximações dos modos por este método sío usadas na redução de sistemas, para entío se obter a resposta dinâmica dado um carregamento. Toda a teoria é reforçada ao final com dois problemas práticos: um cabo durante uma operação de abastecimento de uma plataforma de petróleo e de uma placa durante uma operação de jateamento. Por último, mas nío menos importante, um capítulo é dedicado ao Método da Colocação, onde polinômios de ordem superior, os polinômios de Chebyshev, sío usados para a aproximação com o uso de diferentes grades de interpolação, a grade de Chebyshev-Gauss e a grade de Gauss-Lobatto

Tese: Projeto e controle robusto de um transportador pessoal robótico auto-equilibrante

Aluno(a) : César Raúl Mamani Choquehuanca
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/01/2010
Local:

Resumo: Nesta dissertação, um transportador pessoal robótico auto-equilibrante (TPRE) foi desenvolvido, consistindo de uma plataforma com duas rodas que funciona a partir do equilíbrio do indivíduo que o utiliza, assemelhando-se ao funcionamento do clássico pêndulo invertido. Entre as características que o TPRE tem, podem-se destacar a rapidez na movimentação, o uso de um espaço reduzido, alta capacidade de carga, e capacidade de fazer curvas de raio nulo. Ao contrário de veículos motorizados tradicionais, o TPRE utiliza alimentação elétrica, portanto gera emissões poluentes e, além disso, nío contribui com poluição sonora. Para a locomoção, sío utilizados dois motores de corrente contínua de potências entre 0,7HP e 1,6HP. Para medir o ângulo de inclinação e a velocidade da variação do ângulo de inclinação, é utilizado um acelerômetro de três eixos e um giroscópio de um eixo, respectivamente, que enviam sinais analógicos ao controlador. Para indicar a direção do TPRE, foi utilizado um potenciômetro deslizante. A modelagem matemática do sistema foi feita usando o método de Kane com a finalidade de obter as equações dinâmicas, utilizadas posteriormente em simulações na plataforma Matlab. O controlador lê os sinais provenientes do acelerômetro, do giroscópio e do potenciômetro deslizante, e envia o sinal de controle, em forma de PWM, a placas controladoras de velocidade dos motores, usando a linguagem eLua. Os algoritmos de controle desenvolvidos neste trabalho foram PID, Fuzzy e Robusto, tendo como variáveis de controle o erro e a velocidade da variação do erro do ângulo de inclinação. Experimentos demonstram que os controles Fuzzy e Robusto reduzem significativamente as oscilações do sistema em terrenos planos em relação ao PID. Verifica-se também uma maior estabilidade para terrenos irregulares ou inclinados.

Tese: Simulação tridimensional em tempo real de veí­culos robóticos em terrenos acidentados

Aluno(a) : Ricardo Morrot Lima
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/29/2010
Local:

Resumo: Esta dissertação aborda conceitos interdisciplinares de Engenharia Mecânica e Engenharia de Software, com foco principal no estudo de sistemas Mecânicos. Atualmente, operações de monitoração através de veículos autônomos se tornam cada vez mais comuns, enquanto que os ambientes a que esses veículos robóticos sío submetidos passam a ser cada vez mais hostis, principalmente em relação aos obstáculos e características dos terrenos. O presente trabalho trata do desenvolvimento de um simulador 3D em tempo real de veículos robóticos em terrenos acidentados. Foi desenvolvido um algoritmo de interseção entre um terreno 3D genérico e cada roda de um veículo, e implementado um modelo de força de contato pneu-solo levando em consideração as derivas longitudinal e lateral combinadas. Foi também implementado um modelo para motores de corrente contínua levando-se em consideração a interação da parte mecânica com a elétrica e uma aproximação contínua do modelo de atrito de LuGre, considerando as limitações de potência das baterias do sistema. O simulador também possui um controle de estabilidade 2D, levando em consideração apenas o ângulo de arfagem (pitch) do veículo. Este trabalho propõe também um controle de estabilidade 3D utilizando um indicador de estabilidade que pode ser calculado em tempo real e baseado numa estimativa de distribuição de forças de contato entre roda e terreno. É feita uma validação através de modelos analíticos do comportamento longitudinal do veículo robótico.

Tese: Aplicação da técnica SIFT para determinação de campos de deformações de materiais usando visão computacional

Aluno(a) : Giancarlo Luis Gomez Gonzales
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/01/2010
Local:

Resumo: Esta dissertação apresenta uma metodologia para medição visual de campos de deformações (2D) em materiais, por meio da aplicação da técnica SIFT (Scale Invariant Feature Transform). A análise de imagens capturadas é feita por uma câmera digital em estágios diferentes durante o processo de deformação de um material quando este é submetido a esforção mecânicos. SIFT é uma das técnicas modernas de visío computacional e um eficiente filtro para extração e descrição de pontos de características relevantes em imagens, invariantes a transformações em escala, iluminação e rotação. A metodologia é baseada no cálculo do gradiente de funções que representam o campo de deformações em um material durante um ensaio mecânico sob diferentes condições de contorno. As funções sío calibradas com a aplicação da análise inversa sobre o conjunto de pontos homólogos de duas imagens extraídos pelo algoritmo SIFT. A formulação da solução ao problema inverso combina os dados experimentais fornecidos pelo SIFT e o método linear de mínimos quadrados para estimação dos parâmetros de deformação. Os modelos propostos para diferentes corpos de prova sío avaliados experimentalmente com a ajuda de extensômetros para medição direta das deformações. O campo de deformações identificado pelo sistema de visío computacional é comparado com os valores obtidos pelos extensômetros e por simulações feitas no programa de Elementos Finitos ANSYS. Os resultados obtidos mostram que o campo de deformações pode ser medido utilizando a técnica SIFT, gerando uma nova ferramenta visual de medição para ensaios mecânicos que nío se baseia nas técnicas tradicionais de correlação de imagens.

Tese: Controle de um manipulador robótico através de uma interface cérebro máquina não-invasiva com aprendizagem mútua

Aluno(a) : Alexandre Ormiga Galvão Barbosa
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/31/2010
Local:

Resumo: Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de uma interface cérebro-máquina (Brain Machine Interface - BMI) como um meio alternativo de comunicação para uso na robótica. O trabalho engloba o projeto e construção de um eletroencefalógrafo (EEG), assim como o desenvolvimento de todos os algoritmos computacionais e demais técnicas necessárias para o reconhecimento de atividades mentais. A interface cérebro-máquina desenvolvida é utilizada para comandar os movimentos de um manipulador robótico MA2000, associando quatro atividades mentais distintas a quatro movimentos do manipulador. A interface baseia-se na análise de sinais eletroencefalográficos, extraindo desses, características que podem ser classificadas como uma atividade mental específica. Primeiramente os sinais EEG sío pré-processados, filtrando-se os ruídos indesejados, utilizando filtros espaciais para o aumento da resolução espacial do escalpe, e extraindo-se características relevantes à classificação das atividades mentais. Em seguida, diferentes modelos de classificadores sío propostos, avaliados e comparados. Por último, duas implementações dos classificadores sío propostas para aumentar o índice de comandos corretos para o manipulador. Em uma das implementações, obtiveram-se taxas de acerto de até 91% dos comandos, enquanto a taxa de comandos incorretos chegou ao mínimo de 1.25% após 400 tentativas de controle do manipulador.

Tese: Projeto, Simulação e Desenvolvimento de um Manipulador Robótico Acionado por Tendíµes

Aluno(a) : Julio Quadrio de Moura Guedes
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/19/2010
Local:

Resumo: Um novo conceito de manipulador esta sendo estudado com o intuito de realizar tarefas inviáveis para manipuladores tradicionais. Este modelo de manipulador se baseia em manipuladores contínuos. Eles apresentam uma estrutura similar a uma coluna vertebral, sío altamente modulares, leves, podem ser atuados remotamente e possuem alto índice de adaptabilidade com o ambiente. Este tipo de manipulador apresenta características interessantes para utilização em diversos tipos de tarefas, principalmente em inspeções em locais com muitos obstáculos e ambientes inóspitos para os seres humanos. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um protótipo de manipulador contínuo atuado remotamente por tendões. Ele possui estrutura modular formado por “vértebras” ligadas serialmente. Inicialmente projetado através de ferramentas computacionais para em seguida ser construído fisicamente. Sío apresentados estudos cinemáticos e simulações com comparações entre a parte teórica e experimental. Por fim, é desenvolvida uma situação para simular a atuação do manipulador em uma tarefa real.

Tese: Controle Baseado em Comportamentos de Robí´s Móveis Autí´nomos com Sensores ópticos e Ultrassí´nicos

Aluno(a) : Fabiano Correia Santério
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/05/2010
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Resumo: O comportamento animal serviu de inspiração para o controle baseado por comportamento aplicado a robôs móveis autônomos. Este se baseia em diretivas simples, ou reações, separadas por camadas com respectivas prioridades. Quando agrupadas, estas diretivas conseguem executar as mais diversas e complexas funções no ambiente, tornando o controle em si uma tarefa segmentada, na qual se divide o objetivo principal em pequenos módulos chamados de comportamentos primários. Estes atuam independentes e, ao trabalharem de forma paralela resultam em comportamentos complexos capazes de realizar tarefas mais complexas, uma evolução do controle reativo. A lógica desta técnica torna mais simples a programação e organização das tarefas porque possui uma estrutura modular que permite a adição de novos sensores (novos comportamentos), sem grandes mudanças no código existente. Esta dissertação desenvolve e implementa a programação baseada em comportamento em robôs móveis autônomos com sensores óticos e ultra-sônicos em um ambiente de simulação open source muito comum chamado Player/Stage e validada experimentalmente em 2 robôs autônomos. A arquitetura utilizada no processo de desenvolvimento das camadas comportamentais foi a arquitetura de esquemas motores em conjunto com a técnica de campos potenciais, originalmente idealizada por Ronald C. Arkin em 1998. Os resultados simulados e experimentais foram confrontados com métodos de programação clássica e comprovam todas as vantagens do controle baseado em comportamento.

Tese: Medição de Tensões Residuais em Tubos Submetidos a Esforços Combinados

Aluno(a) : Gilmar Wendor Romero Delgadillo
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/28/2009
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Resumo: Este trabalho trata da medição de tensões em um tubo (API 5L X60 UOE), submetido a esforços combinados (pressão interna, flexão e esforço axial), fazendo uso de rosetas formadas por extensômetros de resistência elétrica que servem para a aplicação da “Técnica do Furo Cego”. Os resultados, medidos com os extensômetros antes e depois de se usinarem os furos cegos, foram comparados com deformações calculadas por meio de dois métodos: um analítico (Resistência de Materiais) e outro numérico (Elementos Finitos). Para a realização do trabalho, foi projetado e construído um dispositivo para aplicação de carregamentos e medição de tensões. O dispositivo consiste em duas placas reforçadas que foram soldadas nas extremidades do tubo. Estas placas servem como tampos para o tubo e, uma delas, contém uma tomada de pressão. As partes superiores das placas são interligadas através de dois fusos que têm extremidades roscadas e que possibilitam a aplicação de forças axiais e momentos fletores no tubo. Os fusos são instrumentados com extensômetros de resistência elétrica para a medição das forças neles aplicadas. Os resultados encontrados nas comparações revelaram exatidão satisfatória para os cálculos e medições empregados e validaram o uso do dispositivo de teste para a realização de novos ensaios. Esses ensaios serão realizados para auxiliar na verificação de exatidão de procedimentos usados para determinar e identificar as origens de tensões atuantes em dutos que estão em serviço de transporte de óleo e gás. A verificação é necessária, uma vez que as medições, pelo método do furo cego englobam a superposição de tensões causadas por esforços aplicados externamente com as tensões residuais geradas pelos processos de fabricação dos tubos e construção dos dutos.

Tese: Avaliação da Absorção de Energia de Impacto. Uma Abordagem Baseada em Testes com Estruturas Similares

Aluno(a) : Gilvania Terto Alves
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/22/2009
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Resumo: Diversas estruturas projetadas pelo homem estío suscetíveis a impacto e quando se menciona impacto mecânico, pensa-se em um esforço de natureza dinâmica, na qual a carga é aplicada repentinamente e rapidamente. O impacto é um fenômeno de bastante complexidade, pois estío envolvidos o módulo da força, duração da aplicação desta e velocidade do impacto, além do comportamento mecânico do material. O impacto pode ser encontrado em diversas situações, entre elas se pode citar o projeto de ferramentas, explosões, artilharia, segurança no armazenamento de substâncias perigosas, colisões entre meios de transporte tais como aeronaves, carros, trens, etc. O carregamento aplicado associado à velocidade fornece o que é chamado de energia de impacto, que dependendo de sua amplitude pode provocar grandes prejuízos estruturais ao meio ambiente ou ainda ao ser humano. Por isso, devem-se prover meios de absorção desta energia para reduzir suas consequências. O comportamento das estruturas mecânicas submetidas ao impacto é um tema de bastante relevância e atualmente vem sendo frequentemente discutido devido às colisões de veículos. Neste trabalho, foram realizadas simulações de carregamentos dinâmicos em estruturas similares representando componentes veiculares através do método de elementos finitos seguidos de testes de impacto por queda de peso com medição das deformações, registradas por um extensômetro conectado a um sistema de aquisição de sinais, de modo a se estabelecer um método para cálculo da energia absorvida pela estrutura.

Tese: Localização em Ambientes Externos através da Fusão de Sensores Inerciais e GPS por um Filtro de Kalman

Aluno(a) : Patrick Merz Paranhos
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/18/2009
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Resumo: Robôs se encontram em sua grande maioria na indústria, cumprindo tarefas repetitivas em plataformas fixas, o que limita seu uso e soluções em que podem ser empregados. A robótica móvel nío é limitada a um espaço restrito, podendo assim ser aplicada a uma maior gama de atividades e oferecer flexibilidade operacional. Um dos problemas em soluções que envolvam mobilidade é estimar a posição do robô com precisío. Em ambientes externos, o sensor GPS é o mais comumente utilizado, pois o mesmo fornece uma posição global, porém existe uma imprecisío que é superior a alguns metros, alem de depender da visibilidade aos satélites. Outra solução é utilizar um sensor inercial, que no início da operação apresenta uma boa precisío, porém o erro de posicionamento cresce ilimitadamente por ser calculado através da integral dupla das acelerações e velocidades angulares medidas. Técnicas de filtragem sío aplicadas aos valores medidos visando reduzir a incerteza. O filtro de Kalman é o mais comumente utilizado na robótica móvel, pois este fornece bons resultados ao considerar a dinâmica do sistema no processo de filtragem. O presente trabalho desenvolve um sistema de localização de robôs moveis em ambientes externos. As soluções do posicionamento via GPS e via sensor inercial sío combinadas através de um filtro de Kalman, reduzindo a incerteza da obtenção da posição. A metodologia é validada por simulações e experimentos.

Tese: Controle por Aprendizado Acelerado e por Neuro-Fuzzy de Sistemas Servo-Hidráulicos de Alta Frequência

Aluno(a) : Eleazar Cristian Mejia Sanchez
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/17/2009
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Resumo: Sistemas hidráulicos sío utilizados em tarefas que necessitam de forças e torques relativamente altos, resultando em grandes acelerações. Por este motivo, máquinas de testes de fadiga sío baseadas em sistemas servo-hidráulicos. Os ensaios de fadiga sío quase sempre independentes da frequência de trabalho. Portanto, trabalhar com uma frequência elevada traz vantagens de redução de tempo e custo dos ensaios, sem interferir nos resultados. Nesta dissertação foram desenvolvidas técnicas de controle por aprendizado acelerado e Neuro-Fuzzy, aplicadas em um sistema servo-hidráulico para ensaio de fadiga. Estes sistemas têm o propósito de fazer ensaios em materiais para prever sua vida útil em serviço. O trabalho envolveu quatro etapas principais: levantamento bibliográfico, desenvolvimento de um controle por aprendizado acelerado, desenvolvimento de um controle por aprendizado Neuro-Fuzzy, e implementação experimental dos modelos de controle por aprendizado proposto em uma máquina de ensaios de materiais. A implementação do controle por aprendizado acelerado foi feita a partir do modelo tradicional desenvolvido em trabalhos anteriores, com o objetivo de acelerar o processo de aprendizagem. Esta metodologia consiste em fazer um controle do tipo bang-bang, restringindo a servo-válvula a trabalhar sempre nos seus limites extremos de operação, i.e., procurando mantê-la sempre completamente aberta em uma ou outra direção. Estes pontos de reversío dependem de diversos fatores, como a amplitude e carga média da solicitação, e sío influenciados pela dinâmica do sistema. Para que a servo-válvula trabalhe no seu limite de seu funcionamento, os instantes ótimos para as reversões sío obtidos pelo algoritmo de aprendizado, e armazenados em tabelas específicas para cada tipo de carregamento. Na metodologia proposta, a lei de aprendizado inclui um termo de momento que permite acelerar a aprendizagem dos valores das tabelas constantemente durante a execução dos testes, melhorando a resposta a cada evento. O desenvolvimento de um controle por aprendizado Neuro-Fuzzy foi motivado pela necessidade de ter um agente com a capacidade de aprendizado e armazenamento dos pontos ótimos de reversío. Este modelo de controle também consiste na implementação de um controle do tipo bang-bang, trabalhando com a servo-válvula sempre nos seus limites extremos de operação. O instante de reversío é determinado pelo sistema Neuro-Fuzzy, o qual tem como entradas a gama e o valor mínimo do carregamento solicitado. O processo de aprendizado é feito pelas atualizações dos pesos do sistema Neuro-Fuzzy, baseado nos erros obtidos durante a execução dos testes, melhorando a resposta do sistema a cada evento. A validação experimental dos modelos propostos é feita em uma máquina servo-hidráulica de ensaios de fadiga. Para este fim, o algoritmo de controle proposto foi implementado em tempo real em um módulo de controle CompactRIO da National Instruments. Os testes efetuados demonstraram a eficiência da metodologia proposta.

Tese: Procedimento para Avaliação da Integridade Estrutural em Máquinas de Levantamento e Movimentação de Materiais

Aluno(a) : Jorge Arturo Hinostroza Medina
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/14/2009
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Resumo: Neste trabalho apresenta-se um procedimento para a avaliação da Integridade Estrutural em máquinas de levantamento e movimentação de materiais utilizando a metodologia de Inspeção Baseada em Risco (IBR) com o objetivo de identificar as partes com maior risco de falha. Esta metodologia avalia tanto as Probabilidades de falha como as Consequências de falha para identificar os pontos críticos que serío analisados com prioridade nos programas de inspeção futuros. Um guincho hidráulico de pequeno porte é usado como exemplo da aplicação deste procedimento a equipamentos de grande porte. No desenvolvimento desta metodologia se propõe uma analise detalhada das tensões envolvidas nos principais pontos da máquina, considerando o cálculo analítico, cálculo numérico e medições experimentais. Para o cálculo das probabilidades de falha foram considerados os mecanismos de dano: colapso plástico por carregamento excessivo, fadiga e corrosío. As probabilidades de falha para cada mecanismo sío calculadas e classificadas em diferentes níveis, assim como as consequências de falha, o que origina diferentes níveis de risco.

Tese: Localização e Mapeamento de Robôs Móveis Utilizando Inteligência e Visão Computacional

Aluno(a) : Nilton Cesar Anchayhua Arestegui
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/14/2009
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Resumo: Esta dissertação introduz um estudo sobre os algoritmos de inteligência computacional para o controle autônomo dos robôs móveis, Nesta pesquisa, são desenvolvidos e implementados sistemas inteligentes de controle de um robô móvel construído no Laboratório de Robótica da PUC-Rio, baseado numa modificação do robô ER1. Os experimentos realizados consistem em duas etapas: a primeira etapa de simulação usando o software Player-Stage de simulação do robô em 2-D onde foram desenvolvidos os algoritmos de navegação usando as técnicas de inteligência computacional; e a segunda etapa a implementação dos algoritmos no robô real. As técnicas implementadas para a navegação do robô móvel estão baseadas em algoritmos de inteligência computacional como são redes neurais, lógica difusa e support vector machine (SVM) e para dar suporte visual ao robô móvel foi implementado uma técnica de visão computacional chamado Scale Invariant Future Transform (SIFT), estes algoritmos em conjunto fazem um sistema embebido para dotar de controle autônomo ao robô móvel. As simulações destes algoritmos conseguiram o objetivo, mas na implementação surgiram diferenças muito claras respeito à simulação pelo tempo que demora em processar o microprocessador.

Tese: Desenvolvimento de Atuadores Tridimensionais Baseados em Músculos Artificiais Dielétricos de Uma ou Múltiplas Camadas

Aluno(a) : Rocem Pol Jiménez López
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/27/2009
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Resumo: Músculos artificiais sío versáteis para o projeto de atuadores pois, assim como os músculos naturais, podem ter pequenos tamanhos ou serem agrupados para alcançar maiores dimensões. A capacidade do músculo de permitir a construção de atuadores sem partes móveis permite uma grande economia de energia, evitando atritos por deslizamento, menor desgaste, e baixos ruídos. Músculos artificiais sío usados para desenvolver atuadores contínuos ou binários, utilizando diversos tipos de configurações para aproveitar ao máximo as vantagens que oferecem estes materiais. Músculos artificiais eletrostrictivos, acionados por altas tensões, já estío sendo utilizados em aplicações comerciais. Circuitos eletrônicos estío sendo projetados para trabalhar com altas tensões elétricas e interagir com estes tipos de músculos. Diversos tipos de material estío sendo avaliados para a implementação destes músculos. Este trabalho visa desenvolver um atuador de configuração cilíndrica de acionamento elétrico, por efeito capacitivo. O atuador é acionado por 3 músculos artificiais em configuração paralela, construídos a partir do elastômero acrílico VHB4905, o qual possui características visco-elásticas e baixo custo de produção. Sío analisados distintos modelos constitutivos dos músculos, baseados em molas e amortecedores em série e em paralelo. Sío desenvolvidos métodos de calibragem para calcular os parâmetros dos modelos matemáticos dos músculos a partir de dados obtidos em laboratório. Um método de medição baseado em processamento de imagens e teoria de visío estéreo, desenvolvido especificamente para este trabalho, permite que a posição da extremidade do atuador seja medida de forma nío-invasiva, sem interferir em seu movimento, e sem a necessidade de colocar sensores ou instrumentos de medição. Os resultados mostram que os modelos matemáticos sío eficientes para descrever o comportamento do atuador.

Tese: Ativação de um Robô Móvel Mediante uma Interface Cérebro Computador Baseada no Processamento de Sinais Eletroencefalográficos

Aluno(a) : David Ronald Achanccaray Dí­az
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/16/2009
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Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma interface cérebro computador como um meio de comunicação alternativo para ser utilizado na área de robótica. A dissertação contempla a implementação de um eletroencefalógrafo, os métodos e técnicas computacionais necessários para a realização desta interface. Para a aquisição dos sinais cerebrais um eletroencefalógrafo foi desenvolvido, por um sistema de tripla amplificação, um filtro passa-baixa, filtros passa-alta e uma conversío analógico-digital. O processamento do sinal digitalizado é feito em duas etapas. A primeira etapa consiste no pré-processamento, no qual se filtra o ruído elétrico e se detectam ruídos biológicos, denominados artifacts, que o sinal possa ter. A segunda etapa é o processamento propriamente dito, no qual se faz a extração de características que definem cinco tipos de atividades mentais escolhidas segundo a especialização do cérebro, e referências sobre interfaces cérebro computador. Com estas medidas obtidas, se procede ao reconhecimento de padrões mediante o treinamento de uma rede neural probabilística. Um protocolo de treinamento é estabelecido, que consta de três etapas. A primeira etapa é o treinamento de uma rede neural para a detecção de artifacts. A segunda etapa é o treinamento de uma rede neural probabilística para a classificação do tipo de atividade mental, e a terceira é a adaptação mutua entre a interface e o usuário mediante a realimentação da atividade reconhecida e a atualização dos parâmetros da rede neural. A interface desenvolvida é aplicada para a ativação de um robô móvel de 54 kg, associando cinco tipos de atividades mentais a comandos que podem ser enviados mediante uma interface de radiofreqüência. O desempenho do sistema e da interface com o usuário é avaliado.

Tese: Análise de Critérios para Aceitação de Enrugamento em Dutos Curvados a Frio

Aluno(a) : Jordana Luiza Barbosa da Costa
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/14/2008
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Resumo: Tubos de aço de grande diâmetro, baixa espessura e alta resistência mecânica, possuem tendência à formação de rugas no lado compressivo do curvamento (intrados) ao serem curvados a frio. A presente dissertação descreve os principais códigos de projeto nacionais e internacionais, quanto à presença de rugas provenientes desse tipo de curvamento em dutos e propõe um ângulo para o qual há a formação do enrugamento. Os códigos internacionais mostram-se conservadores quanto à presença de rugas nos tubos curvados, uma vez que o enrugamento é uma mudança geométrica que, a princípio, gera concentração de tensões e susceptibilidade à ocorrência de falhas por fadiga. Esta dissertação faz uso do método de elementos finitos para modelar a formação do enrugamento e determinar fatores de concentração de tensões, nestas regiões, para carregamentos de pressío interna. Os fatores encontrados sío comparados com resultados encontrados na literatura e utilizados no cálculo contra a fadiga por meio de diferentes métodos: Markl, inclinações universais de Manson e ASME seção VIII divisío 2. Neste estudo foram utilizados tubos de aço estrutural API X-70 com razío diâmetro espessura (D/t) variando de 20 a 100, modelados por meio do software Abaqus®. Foram obtidas curvas com ângulo de 4°/diâmetro e enrugamentos severos, com razío entre a altura da ruga e o diâmetro do tubo (d/D) da ordem de 6,5% e fator de concentração de tensío chegando a 1,89. Os modelos de tubo enrugado nío apresentaram falha na resistência mecânica à pressío interna aplicada, quando esta é suficiente para obtenção de tensío circunferencial nominal equivalente a 100% do limite de escoamento do material. Os resultados de vida em fadiga para os diferentes métodos aplicados variam de acordo com o método utilizado, mas todos apresentam redução na vida do tubo com presença de enrugamento severo. O estudo propõe que se utilize para o cálculo da vida em fadiga um procedimento conservador que associa o fator de concentração de tensío determinado por Rosenfeld com o método de cálculo contra a fadiga recomendado pelo código ASME VIII.

Tese: Modelagem e Simulação da Dinâmica de Bóias de Superfí­cie Ancoradas

Aluno(a) : Gil Rudge Cavalcanti de Albuquerque
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/06/2008
Local:

Resumo: Um método para a simulação dinâmica bi-dimensional de bóias cilíndricas de superfície, sujeitas à ação de ondas e ancorada ao fundo marinho através de uma linha flexível é apresentado neste trabalho. O modelo de elementos finitos adotado por Lustosa (2002) é empregado na descrição do movimento do cabo de ancoragem, onde elementos de vigas de Euler-Bernouilli de dois nós sío empregados, com a cinemática do movimento descrita através de grandezas referidas ao sistema local co-rotacionado. No modelo numérico, sío consideradas as nío-linearidades geométricas resultantes dos grandes deslocamentos da linha e que resultam no acoplamento das rigidezes axial e flexional. Na caracterização do movimento da linha consideram-se os seguintes efeitos: peso próprio, empuxo, carregamento hidrodinâmico da correnteza marinha, deslocamentos impostos pela unidade flutuante, forças de inércia e, se presente, a ação de flutuadores. Os deslocamentos do cabo sío obtidos da solução do sistema algébrico de equações nío-lineares, resultante da integração temporal de Newmark das equações diferenciais temporais do movimento, cuja convergência é garantida através do método iterativo de Newton-Raphson. Para a bóia, considerada para efeito de análise como indeformável, três graus-de-liberdade sío considerados: dois de deslocamentos lineares e um de deslocamento angular. As ondas de superfície, monocromáticas e bi-dimensionais, sío representadas no modelo através da teoria linear de Airy associada à modificação empírica de Wheeler (Wheeler, 1969). Forças resultantes da ação das ondas sobre a bóia de superfície sío obtidas através da integração numérica da equação proposta por Chitrapu et al. (1998) que compõe-se de um termo viscoso - resultante da parcela de arrasto da equação de Morison - e de um termo nío-viscoso - considerado como resultante da soma da força de Froude-Krylov (Chakrabarti, 1987) à parcela de inércia da equação de Morison -. A integração numérica desta equação sobre a superfície “molhada” instantânea do cilindro é realizada, a cada incremento de tempo da análise, empregando-se o método da quadratura adaptativa de Simpson. Finalmente, na integração temporal das equações de movimento da bóia de superfície utiliza-se o método de Runge-Kutta de quinta ordem, com o controle adaptável do passo temporal. O procedimento descrito foi implementado em um programa de computador e os resultados obtidos de algumas análises numéricas comparados com os fornecidos por outras simulações independentes, de forma a verificar a adequabilidade da formulação proposta ao estudo da dinâmica de bóias flutuantes.

Tese: Modelo de Redes Neurais Artificiais para Inferência da Qualidade de um Processo Polimérico

Aluno(a) : Julia Lima Fleck
Orientador(a): Marcelo Dreux e Belkis Valdman
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/22/2008
Local:

Resumo: O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de modelos neurais para a inferência da qualidade do polietileno de baixa densidade (PEBD) a partir dos valores das variáveis de processo do sistema reacional. Para tal, fez-se uso de dados operacionais da empresa Riopol© – Rio Polímeros S.A., cujo pré-processamento incluiu a seleção de variáveis, limpeza e normalização dos dados selecionados e preparação dos padrões. Cinco modelos neurais distintos destacaram-se pela sua acurácia em representar o comportamento do índice de fluidez do polímero em função das variáveis de processo. A capacidade de inferência dos modelos neurais desenvolvidos neste estudo foi comparada com a de dois modelos fenomenológicos existentes. Para tal, utilizou-se como medida de desempenho o valor do erro médio quadrático dos modelos, tendo como referência valores experimentais do índice de fluidez. Neste contexto, os modelos neurais apresentaram maior acurácia do que os modelos fenomenológicos, o que os caracteriza como eficientes ferramentas de modelagem da qualidade do sistema reacional de produção do PEBD.

Tese: Considerações sobre a Modelagem de Conexíµes para Reparo de Dutos

Aluno(a) : João Luis Batista da Silva
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/24/2008
Local:

Resumo: A redução de espessura de parede causada por corrosío é um dos defeitos que mais afetam a integridade dos dutos. Estes defeitos podem ocorrer no metal base, nas soldas longitudinais ou circunferenciais. Com a expansío do número de dutos rígidos instalados no fundo do mar e o avançado tempo de uso, a indústria de petróleo tem desenvolvido diversas ferramentas de reparo desses dutos, sem comprometer a segurança e sem perda da produção. O objetivo inicial desse trabalho foi o estudo e a geração de modelos de computador, que uma vez parametrizados, possam servir como ferramenta para análise em projeto de dimensionamento de conexões de reparo. No decorrer desse estudo sobre apenas dois tipos de conexões de reparo foi percebido que o comportamento de falha descrito pelos modelos numéricos das mesmas possui detalhes que precisavam ser esclarecidos em complementação ao programa experimental ao qual foram submetidas. Uma fase dessa pesquisa foi o trabalho de laboratório onde se pode repetir a confecção da mistura de resina e cimento segundo as referencias adotadas no programa experimental e realizaram-se ensaios de compressío em corpos cilíndricos dessa mistura para levantamento de curva tensío e deformação assim como determinar o coeficiente de Poisson. Outra fase foi a pesquisa em diversos outros trabalhos que indicassem o comportamento esperado desse material quando submetido às cargas de compressío. Por fim, foram gerados modelos analíticos e numéricos e seus resultados foram comparados com os resultados do programa experimental. Ao final da comparação foram levantadas as diferenças e as possíveis razões e sugeridas ações para se alcançar o objetivo inicial.

Tese: Controle por Aprendizado de Sistemas Servo-Hidráulicos de Alta Frequência

Aluno(a) : Juan Gerardo Castillo Alva
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/10/2008
Local:

Resumo: Sistemas hidráulicos são usados onde se requerem forças e torques relativamente altos, alta velocidade de resposta para o início, parada e reversão da velocidade. Eles sío usados em sistemas industriais, em robótica, simuladores de movimento, plantas automatizadas, exploração de minérios, prensas, e especialmente em sistemas de testes de fadiga de materiais. As máquinas de testes de fadiga baseadas em sistemas servo-hidráulicos têm como propósito fazer ensaios nos materiais para prever a vida útil em serviço. Os ensaios de fadiga sío quase sempre independentes da freqüência de trabalho. Para uma dada resistência do material e magnitudes das tensões alternadas e médias aplicadas, a vida à fadiga depende essencialmente do número de ciclos de carga aplicados ao material testado. Por esse motivo, trabalhar com a máquina de ensaios de materiais a uma freqüência elevada traz vantagens de redução de tempo e custo dos ensaios, sem interferir nos resultados. A aplicação da carga pode ser repetida milhões de vezes, em frequências típicas de até cem vezes por segundo para metais. Para se atingirem estas frequências, relativamente altas para um teste de fadiga, é necessário um sistema de controle eficiente. Nesta dissertação, técnicas de controle por aprendizado são desenvolvidas e aplicadas a uma máquina de ensaios de materiais, permitindo a aplicação de carregamentos de amplitude variável em alta freqüência. A metodologia proposta consiste em fazer um controle do tipo bang-bang, restringindo a servo-válvula do sistema a trabalhar sempre nos seus limites extremos de operação, i.e., procurando mantê-la sempre completamente aberta em uma ou outra direção. Devido à dinâmica do sistema, os pontos de reversão devem ficar antes dos picos e vales de força ou tensão desejados. O instante de reversão é um parâmetro que depende de diversos fatores, como a amplitude e carga média da solicitação, e também é influenciado por zonas mortas causadas, e.g., por folgas na fixação dos corpos de prova. Para que a servo-válvula trabalhe no limite de seu funcionamento, o algoritmo de aprendizado obtém os instantes ótimos para as reversões, associados a variáveis adimensionais com valores entre 0 e 1, armazenados em tabelas específicas para cada tipo de carregamento. A lei de aprendizado popula e atualiza constantemente os valores das tabelas durante a execução dos testes, melhorando a resposta do sistema a cada evento. Apresentam-se a modelagem dinâmica de uma máquina servo-hidráulica e de sua malha de controle, e simulações comparando o controle PID com o controle por aprendizado proposto. A validação experimental é feita em uma máquina servo-hidráulica de ensaios de fadiga. Para este fim, um software de controle em tempo real foi especialmente desenvolvido e implementado em um sistema computacional CompactRIO. Os resultados demonstram a eficiência da metodologia proposta.

Tese: Estratégias de Controle Aplicadas ao Problema de Dirigibilidade de Veí­culos Terrestres em Trajetórias Fechadas Pré-Definidas.

Aluno(a) : Fernando Hey
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro e Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/14/2008
Local:

Resumo: Apresenta-se o uso das ferramentas lineares de Controle Clássico (Lugar Geométrico das Raízes) e Moderno (Realimentação de Estado e de Saída e Alocação de Pólos) para estabelecer os ajustes dos controladores adotados no problema de acompanhamento de trajetórias em traçados fechados por veículos terrestres, procurando reproduzir o comportamento do ser humano no comando deste tipo de sistema. Os modelos adotados para o veículo sío lineares (funções de transferência e matrizes de estado e de entrada), porém a caracterização da trajetória fechada é geometricamente nío-linear. Verifica-se deste modo como o projeto de um controle linear satisfaz as condições nío lineares associadas. Os conceitos e ferramentas conhecidos sío aplicados em diversos tipo de traçados, para diferentes condições do veículo – velocidade, limites de esterçamento, etc – e, a partir das simulações realizadas, sío analisadas as principais características de comportamento do veículo – acelerações, estabilidade, etc - e comparadas as previsões dos projetos lineares com os resultados encontrados. É feita ainda uma breve introdução ao emprego do Controle Ótimo no problema de determinação das condições necessárias para se estabelecer a trajetória ótima em um traçado aberto (uma curva pré-definida), dado como critério o tempo mínimo para percorrê-lo, utilizando um modelo bastante simplificado do veículo, e conhecidas suas velocidades e posições iniciais e finais.

Tese: Análise de Acidente com Rotor: Modelagem e Simulação

Aluno(a) : Ricardo e Sillva Sant anna
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/10/2007
Local: Sala de Aula do IEPUC, Ed. Cardeal Leme

Resumo: Um problema industrial ocorrido em um compressor de ar motivou esta Dissertação de Mestrado. Problemas em máquinas rotativas sío comuns na rotina de uma indústria. A coleta de dados cuidadosa pode levar a um estudo mais profundo de quais causas prováveis geraram o problema, permitindo-se modelar um sistema que simule as características do problema. O compressor de baixa pressío de ar de uma fábrica de fertilizantes, discutido nesta dissertação, faz parte de um trem de compressío, composto de: turbina a vapor, o compressor (de baixa pressío de ar), multiplicador e compressor de alta pressío. Falhas no mancal de escora do compressor de baixa pressío que causaram grandes perdas de produção motivaram a análise e a simulação numérica do problema. A análise dinâmica do Rotor, modelado matematicamente e discretizada pelo Método de Elementos Finitos, e sua Análise Modal sío os principais objetivos desta Dissertação, com o propósito de: contribuir para se evitar a recorrência deste problema na área industrial; e ajudar aos Engenheiros que trabalham com grandes máquinas a melhor conhecer a dinâmica de um rotor sujeito a esforção axiais, através de um compêndio didático, exceto desta Dissertação, como base de um curso de Análise Dinâmica. A Dissertação é organizada em seis capítulos: o Capítulo Um apresenta a motivação e a organização do trabalho; o Capítulo Dois apresenta o problema industrial, aspectos da falha, as medidas para solucionar o problema, o modo de analisar a solução da falha e o esforço para esclarecer a fonte do problema; o Capítulo Três discute a teoria dos mancais hidrodinâmicos cilíndricos, a fórmula de Reynolds, a simplificação do modelo de mancal, os conceitos de projeto e a relação entre força e movimento entre o munhío e o mancal. Traça-se o diagrama de Sommerfeld e se discute sua aplicação, assim como os diagramas de rigidezes e amortecimentos adimensionais, todos para o mancal radial curto, explicando-se a linearização dos termos cruzados; o Capítulo Quatro é o mais extenso pois mostra que o modelo simplificado de rotor (de Laval), representando sua dinâmica pela equação de Lagrange, nío é capaz de representar o problema industrial do rotor. Neste capítulo introduz-se a Teoria de Vibrações para sistemas com um e três graus de liberdade, traçando-se diagramas Bodé, de Campbell e do deslocamento no domínio do tempo. Funções de Transferência oriundas da Transformada de Laplace sío utilizadas para representarem a resposta em frequência do movimento; Simulações numéricas de modos complexos e seu significado geométrico sío apresentados. Análise Modal é apresentada para o caso de sistemas com dois e três graus de liberdade. O modelo matemático do rotor para sua discretização é apresentado. A seguir se aplica a discretização pelo Método de Elementos Finitos para a simulação numérica do rotor. Análise Modal do rotor aqui apresentado é simulada, na plataforma Matlab. A modelagem dinâmica do rotor submetido a uma força axial harmônica, extraída de referências especializadas, mostra uma semelhança bem próxima dentro do erro assumido (2% no 20o. modo, pelo critério de Rayleigh) e é capaz de reproduzir o fenômeno de ressonância a uma frequência observada em campo: 14850 CPM, Gráfico FFT (da simulação numérica) está de acordo com a ressonância axial observada em campo. Capítulo Cinco mostra resumidamente a teoria do Método de Elementos Finitos: o uso das funções interpolantes, os conceitos matemáticos subtendidos, a modelagem de barras e vigas, suas dinâmicas, modos e frequências naturais, tabelas com soluções matemáticas fechadas de arranjos de estruturas bem conhecidas e a solução de arranjos de vigas. O último Capítulo Seis comenta os resultados obtidos e propõe futuros trabalhos dentro da linha de estudo da Dissertação. Extensa revisío bibliográfica finaliza o trabalho. Palavras-chave: Rotodinâmica, Mancais Hidrodinâmicos, Análise Modal, Método de Elementos Finitos

Tese: Efeito da Tensão Nominal no Tamanho e Forma da Zona Plástica

Aluno(a) : Habib Zambrano Rodriguez
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/28/2007
Local:

Resumo: Estimativas da zona plástica, feitas a partir de soluções lineares elásticas tradicionais do campo próximo à ponta da trinca, nío levam em consideração o efeito nío desprezível da tensío nominal. De fato, supor que a ZP só depende do fator de intensidade de tensões nío basta para reproduzir as condições de contorno da peça. Este trabalho trata da influência da tensío nominal no tamanho da zona plástica em volta das pontas das trincas de fadiga, que é desprezada nas estimativas tradicionais de zona plástica. Para resolver este problema, sío propostas novas soluções para mapear as fronteiras das zonas plásticas partindo dos campos de tensío exatos de Inglis e de Westergaard.

Tese: Uma Abordagem Gerencial para o Procedimento de Projeto de Suspensíµes de Veí­culos Terrestre

Aluno(a) : Michael Cordeiro Carvalho Merling
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/13/2007
Local:

Resumo: Apresenta-se uma visío gerencial para o procedimento de projeto de suspensões de veículos terrestres. Sío descritos, em linhas gerais, os principais aspectos técnicos relativos ao projeto deste sub-sistema veicular, e tratados, com detalhes, os tópicos fundamentais para a sua administração. Discute-se, entre outros, as etapas de especicação do projeto, quesitos necessários, normas a serem aplicadas, e as etapas a cumprir, segundo a visío do gerente administrativo do projeto, responsável pela organização do grupo de técnicos que irá desenvolvê-lo.

Tese: Caracterização de Atuadores Baseados em Músculos Artificiais Poliméricos por Efeito Capacitivo

Aluno(a) : Pedro Ferreira da Costa Blois de Assis
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/11/2007
Local:

Resumo: Resumo: É notória a necessidade de encontrar novas tecnologias para atuação de sistemas robóticos, tío eficazes quanto a do músculo natural. Os atuadores tradicionais possuem grande agilidade e força quando comparados aos músculos naturais, mas suas dimensões e peso sío elevados em relação à força que sío capazes de exercer, e demandam muita energia para cumprirem suas tarefas. Manipuladores robóticos menores e mais baratos poderiam existir se pudessem utilizar músculos naturais para impulsioná-los. Ao mesmo tempo, as indústrias gastariam menos com os custos envolvidos em energia e compra desses manipuladores. Este trabalho estuda o comportamento de músculos artificiais baseados no polímero acrílico VHB4905, através da construção de uma bancada de teste com sensor de força, incluindo especificação de todos os equipamentos e o desenvolvimento de circuitos de alta tensío (até 10kV) para acioná-los. Durante o desenvolvimento e implementação do circuito foram encontrados problemas intrínsecos à manipulação de tensões da ordem de vários kV. Esses problemas foram apontados e soluções satisfatórias foram implementadas, de forma a tornar os experimentos possíveis. Modelos matemáticos de algumas das principais configurações possíveis para atuadores foram desenvolvidos. Os modelos desenvolvidos para uma das configurações típicas foram comparados com resultados experimentais com um erro máximo absoluto de 1% (26,7mN) do valor real. Experimentos em atuadores de molduras fixas foram feitos com resultados de 223% de deformação da regiío ativa, com desempenho muito superior ao dos músculos naturais. A partir de um dos modelos desenvolvidos, implementou-se um controlador PID compensado que gerou melhores resultados a entradas em degrau que o PID padrío, o qual nío leva em consideração a nío-linearidade e a alta sensibilidade do atuador quando submetido a tensões próximas da tensío de quebra do dielétrico. A

Tese: Calibragem Visual

Aluno(a) : Trond Martin Augustson
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/03/2007
Local:

Resumo: Atualmente, a maioria dos manipuladores robóticos executa tarefas a partir de trajetórias pré-programadas a serem seguidas. Nessas condições, o robô atua (movimentando, por exemplo, objetos) em locais fixos, pré-determinados por seu operador humano. Por esse motivo, é necessário que os objetos a serem manipulados, assim como as partes do manipulador como um todo, estejam em locais previamente estabelecidos. Caso contrário, uma nova programação se fará necessária. Este método nío é indicado em certas operações robóticas onde a variação ambiental seja significativa. Outro método utilizado é a chamada teleoperação. Nesse caso, explora-se a arquitetura “mestre-escravo”, no qual o operador determina direta e continuamente a movimentação/posição do manipulador. Nesse caso, o único pré-requisito necessário ao sistema é um alto grau de repetibilidade, uma vez que possíveis erros de maior porte no posicionamento podem ser visualizados pelo operador humano. No entanto, perde-se em precisío absoluta, uma vez que a própria percepção humana pode ser falha ou insatisfatória. O objetivo desse trabalho é abordar o conjunto de técnicas utilizadas no posicionamento de um manipulador em ambientes na presença de incertezas. O trabalho concentra-se na calibração de manipuladores baseada em técnicas de visío computacional, envolvendo estudo da cinemática direta e inversa de manipuladores, calibração de câmeras, reconhecimento e correlação de padrões em imagens distintas, e estereoscopia. Apresentam-se também metodologias e técnicas para o posicionamento do manipulador, auxiliado por câmeras localizadas próximo de se sua extremidade. Isso torna viável a automação de tarefas específicas e complexas, tendo em vista que, posicionado o manipulador em relação a um sistema de coordenadas conhecido, é possível movimentá-lo por sua área de atuação com maior segurança e precisío. Tamanhas vantagens devem-se ao fato de que sensores como, por exemplo, câmeras conectadas a um sistema de visío computacional, tornam possível a percepção da diferença entre a posição real (ocupada pelo manipulador) e a posição ideal (desejada). Tais diferenças sío enviadas para os controladores, a fim de que esses corrijam a trajetória previamente programada. Além disso, os comandos para movimentação do manipulador podem entío ser programados off-line por um sistema de CAD, o que nío requer a ativação do robô durante sua geração, levando a uma maior agilidade em sua validação e resolução de problemas. Como estudo de caso, estudou-se uma aplicação real, baseada em um manipulador que tem por finalidade intervenções submarinas em plataformas petrolíferas. Este manipulador conecta-se a um ROV (Remote Operating Vehicle) e é levado ao seu local de atuação pelo operador de ROV. Toda vez que o ROV é reposicionado, é necessário estimar sua posição e orientação relativas ao local de atuação. O ROV atua em áreas de grande profundidade e existem poucos sensores que atuam em tais locais. Esse fato é um dos incentivos para o uso de visío computacional para estimar a posição relativa do manipulador, possibilitando que trajetórias previamente programadas sejam executadas mesmo na presença de incertezas, reduzindo o tempo de intervenção e, conseqüentemente, seu custo.

Tese: Controle de Capotagem e Deslizamento de Sistemas Robóticos Móveis em Terrenos Acidentados

Aluno(a) : Auderi Vicente Santos
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/22/2007
Local:

Resumo: O uso de robôs móveis para monitorar locais inacessíveis vem se tornando cada vez mais comum. Essas operações podem ser autônomas ou tripuladas e quando sío feitas em terrenos irregulares é preciso garantir segurança na missío, pois muitas das vezes o resgate se torna inviável. O robô estudado nesta dissertação terá dificuldades para locomoção em certas localidades, como por exemplo: derrapagem em regiões alagadas, vencer atoleiro em regiões pantanosas e de brejos e capotagem nas regiões que apresentam aclives e declives. Diante deste quadro de problemas apresentados, garantir a estabilidade nas regiões de ladeiras é de grande valor nas operações, sejam elas tele-operadas ou autônomas. Visando contribuir para o sucesso da locomoção do robô, esta dissertação apresenta uma técnica de controle de estabilidade de um robô móvel para sensoreamento remoto em terrenos irregulares, incluindo projeto, simulação e construção de um protótipo funcional. Este controle visa garantir que as rodas do veículo nío descolem do terreno, através da atuação nas forças de atrito entre as rodas e o solo variando os torques nos seus motores.

Tese: Structural Evaluation of Pipelines Containing Corrosion Defects that Encompass the Long-Seam Weld

Aluno(a) : Sergio Ibajé Oliveira Bueno
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/02/2007
Local:

Resumo: A redução de espessura de parede causada por corrosío é um dos defeitos que mais afetam a integridade dos dutos. Estes defeitos podem ocorrer no metal base, nas soldas longitudinais ou circunferenciais, bem como nas zonas afetadas pelo calor. Os métodos de avaliação da resistência remanescente introduzem ressalvas ou proíbem o tratamento de defeitos de corrosío coincidentes com as juntas soldadas. No presente trabalho foram avaliados os níveis de segurança dos métodos usuais de avaliação da resistência de dutos com defeitos introduzidos na regiío da solda longitudinal de tubos soldados por arco submerso. Os tubos testados eram de aço C-Mn fabricados na década de 60 e foram retirados de operação após uma campanha superior a 30 anos. Com estes tubos foram fabricados 5 espécimes, cada qual com 1 defeito externo produzido por eletro-erosío, sendo posteriormente submetidos a testes de pressío monitorados. Foram realizados ensaios de tração, ensaios de impacto Charpy e ensaios de dobramento, para determinação das propriedades mecânicas do metal de base, do metal de solda e da zona termicamente afetada (ZTA). Foram realizados também ensaios metalográficos do metal de base e do metal de solda, análise química do metal de base e do metal de solda e medição das tensões residuais no metal de solda. A aplicação dos métodos de nível 1 (ASME B31G, 085dL, RPA, DNV isolado e PCORRC) resultou em pressões previstas inferiores às pressões reais de ruptura para defeitos de formato esférico. Para defeitos de seção retangular a aplicação dos métodos de nível 1 resultou em pressões contrárias à segurança. A aplicação dos métodos de nível 2 (Effective Area e DNV geometria complexa) resultou em pressões previstas superiores às pressões reais de ruptura para defeitos de formato esférico e de seção retangular. As análises das fraturas indicaram que nío ocorreu falha por deficiência de tenacidade em nenhum espécime. Como causa mais provável dos resultados nío-conservadores foi apontada a corrosío alveolar leve pré-existente na supefície interna dos espécimes.

Tese: Medição de Tensíµes Residuais em Tubos Visando a Determinação de Esforços em Dutos Enterrados

Aluno(a) : Leonardo Dantas Rodrigues
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/16/2007
Local:

Resumo: O conhecimento dos esforção de flexío e normal provocados por movimentação de solo, é importante para a análise de integridade estrutural de dutos. A existência de tensões residuais é um dos principais obstáculos para obtenção de resultados precisos na determinação de tais esforção. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de analisar o comportamento das tensões residuais de fabricação em tubos ao longo de sua circunferência e comprimento. Foram feitas medições de tensões residuais em corpos de prova de um tubo novo e de outros retirados de operação, utilizando a técnica de furo cego e uma nova técnica de seccionamento. As medições foram realizadas ao longo da circunferência e em diferentes seções dos tubos. As medições com a técnica de seccionamento proposta, denominada técnica do furo elíptico, mostraram-se coerentes com as medições com o furo cego, principalmente para as tensões longitudinais. A partir dos resultados obtidos nos experimentos realizados, foram feitas recomendações e propostas metodologias para separar as tensões residuais de fabricação, das tensões atuantes no duto em operação. Para cada método proposto foi feita uma simulação para avaliar seus erros. As tensões residuais de fabricação circunferenciais e longitudinais possuem magnitudes consideráveis (por vezes até próximas à resistência ao escoamento dos tubos). Desprezá-las em medições realizadas em campo, como é feito na maioria das vezes para calcular os esforção existentes, pode acarretar grandes erros na determinação dos esforção agindo sobre o duto. Os resultados das simulações mostraram que, se as tensões residuais forem baixas, os esforção de trabalho obtidos desconsiderando-as sío razoáveis. No mais, os procedimentos propostos para a determinação de esforção, mediante separação das tensões residuais existentes, apresentaram erros menores ou, no mínimo, próximos aos encontrados quando o cálculo foi feito negligenciando-se as tensões residuais.

Tese: Opacidade 3D na Visualização Volumétrica de Dados Sí­smicos

Aluno(a) : Mauricio Kreczmarsky Guimarães Meinicke
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/13/2007
Local: Sala de Aula do IEPUC, Ed. Cardeal Leme

Resumo: Neste trabalho é feito uma revisío sobre os conceitos de opacidade 1D e 2D para ser proposta uma implementação da técnica chamada de Opacidade 3D para visualização volumétrica de dados sísmicos. O grande desafio da visualização volumétrica é definir uma função de transferência multidimensional que melhor se adapte ao tipo de dado que se deseja visualizar. Serío apresentadas duas possíveis funções de transferência e exemplos de quando estas devem ser utilizadas. Para possibilitar uma boa interação com o usuário, a implementação utilizou a técnica de programação chamada de fragment program. Os resultados obtidos pela opacidade 3D sío comparados com os resultados provenientes das opacidades 1D e 2D que serviram de base e motivação para o desenvolvimento deste trabalho.

Tese: Modelagem de Sistemas Robóticos Móveis para Controle de Tração em Terrenos Acidentados

Aluno(a) : Alexandre Francisco Barral Silva
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/10/2007
Local:

Resumo: Em terrenos acidentados é crítico para robôs móveis manter uma adequada tração nas rodas, pois um excessivo deslizamento das mesmas pode fazer o robô capotar ou desviar da rota desejada. Também, se uma força excessiva é aplicada sobre uma regiío do terreno, pode levar o mesmo a ceder deixando as rodas presas. Para se evitar os problemas acima citados e ainda otimizar o consumo de energia em terrenos planos, a presente dissertação desenvolveu um controle de tração para terrenos acidentados com o intuito de aplicá-lo ao Robô Ambiental Híbrido (RAH) da Petrobrás. O RAH é um robô móvel anfíbio que está em fase de desenvolvimento no Laboratório de Robótica do CENPES (Petrobras), que poderá ser comandado por um operador ou se deslocar autonomamente. Esse robô faz parte do projeto Cognitus, braço tecnológico do projeto Piatam (Potenciais Impactos e Riscos Ambientais da Indústria de Óleo e Gás na Amazônia), e será aplicado na monitoração e coleta de dados do meio ambiente de dois gasodutos da Petrobrás na regiío Amazônica, o gasoduto Urucum (AM)- Porto Velho (RO) e o gasoduto Coari (AM) – Manaus (AM). A técnica de controle de tração de veículos robóticos em terrenos acidentados desenvolvida visa controlar a velocidade ao mesmo tempo em que garante a estabilidade dinâmica, nío deslizamento das rodas, evita a saturação dos motores, e em certas condições ainda permite minimizar a potência requerida através do conhecimento dos ângulos de contato entre as rodas e o terreno. Foram feitas duas modelagens independentes, uma considerando a suspensío do robô flexível e a outra considerando o veículo robótico como um corpo rígido, sendo ambas para o caso plano (2D). Foram realizadas simulações em terrenos suaves e acidentados, as quais comprovaram a eficácia das técnicas de controle propostas.

Tese: Algoritmos Genéticos Aplicados ao Problema de Reconstituição de Acidentes com um Modelo Simplificado de Veí­culos Terrestres Deformáveis

Aluno(a) : Marlos Rego Menezes
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/21/2007
Local:

Resumo: Apresenta-se a aplicação dos algoritmos genéticos para o tratamento do problema inverso em reconstituição de acidentes e análise de colisões com veículos terrestres de estrutura deformável. Define-se como, a partir de restrições impostas, das posições finais, e das deformações encontradas nos veículos após uma colisío, o algoritmo de otimização pode fornecer o conjunto de variáveis e parâmetros que mais provavelmente levam os veículos àquela condição. Todos os procedimentos desenvolvidos foram implementados em Simulink/Matlab.

Tese: Modelos de Linhas Fluidas através do Fluxo de Potência para Análise e Simulação de Transientes

Aluno(a) : Felipe Augusto Silva de Andrade
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/14/2007
Local:

Resumo: O estudo de fenômenos transitórios em sistemas hidráulicos está presente em diversos ramos da engenharia. Sua maior ênfase encontra-se na área de hidroelétricas e atualmente também está sendo aplicado na indústria do petróleo. O presente trabalho apresenta uma análise comparativa deste fenômeno utilizando três abordagens de modelagem distintas: o clássico método das características, a técnica de grafos de ligação e o tratamento através do fluxo de potência. No caso do método das caracaterísticas emprega-se o procedimento proposto por Streeter. Na modelagme através de grafo de ligação adota-se a analogia generalizada entre os sistemas fluido, mecânico e elétrico. Na representação pelo fluxo de potência acopla-se módulos previamente desenvolvidos considerando as relações de causa e efeito entre os componentes de um sistema. Todos os métodos foram implementados em MATLAB e sío testados e comparados a partir de simulações em dois sistemas simples compostos de um reservatório, linha fluida e válvula. Os resultados obtidos através da metodologia de fluxo de potência aproximam-se dos encontrados pelas aobrdagens tradicionais.

Tese: Um Estudo Experimental Utilizado em Tomografia de Raio-X com Mecanismos Associados a Produção de Areia em Poços de Petróleo

Aluno(a) : Aldenir Costa
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 01/12/2007
Local:

Resumo: Freqüentemente, durante os estágios de produção de um poço de óleo, ocorre a produção simultânea de partículas sólidas que originam da massa rochosa ao redor, um processo chamado de produção de areia. Concentrações de tensões nas vizinhanças do poço podem causar perda de coesío entre os gríos, criando assim uma regiío de matéria granular solta suscetível a ser arrastada pela força de infiltrações. Este trabalho se baseia no estudo da formação de danos nas vizinhanças do poço. Este programa experimental é conduzido ao simular, do interior de uma célula especialmente construída, as pressões crescentes durante esses estágios de escavação numa amostra de rocha, geralmente arenito, pouco consolidada ou um material montado artificialmente simulando arenito. Este processo é conduzido em tempo real dentro do tomógrafo computadorizado de Raio X. Os ensaios tiveram por objetivo identificar a pressío de início e o modo de propagação da ruptura da parede da cavidade interna da amostra ensaiada. Estes sío estágios iniciais dos processos de produção de areia em rochas. As análises das imagens tomográficas adquiridas durante os ensaios permitiram a visualização de breakouts e arrombamentos dos poção. Estudos mais detalhados possibilitaram estimar a quantidade de areia produzida e reconstruir tridimensionalmente o processo de propagação de ruptura.

Tese: Dinâmica de Máquinas Rotativas em Mancais Hidrodinâmicos

Aluno(a) : Javã Atayde Pedreira
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/12/2006
Local:

Resumo: O ganho em escala na produção de combustíveis e produtos petroquímicos tem levado à construção de novas plantas de processo de altíssima capacidade de processamento. Ao mesmo tempo, exige-se delas alta performance, traduzida em índices elevados de confiabilidade. As turbomáquinas (turbinas e compressores) desempenham um papel fundamental neste cenário, uma vez que devem operar continuamente durante a campanha operacional, que varia de 3 a 5 anos, sob pena de causar grandes prejuízos econômicos por perda de produção. A condição operacional que confere às turbomáquinas altas densidades de energia e vazío é a velocidade do rotor. Altas velocidades induzem a problemas potenciais de velocidade crítica, resposta ao desbalanceamento e instabilidade do rotor. Os mecanismos de instabilidade sío, em geral, a combinação de fenômenos oriundos dos mancais, selagem, roçamentos e efeitos aerodinâmicos das palhetas. Os mancais hidrodinâmicos desempenham um papel de extrema importância na dinâmica das turbomáquinas e sío largamente empregados na indústria por permitirem altas cargas em altas velocidades. As características dinâmicas de um rotor sío altamente influenciadas pelas propriedades dos mancais e fenômenos de instabilização tendem a aparecer em altas velocidades, devido à assimetria e efeito cruzado ("cross-coupling") das propriedades de rigidez e amortecimento. O presente trabalho analisa o projeto dos mancais sob o ponto de vista da estabilidade e a sua influência na determinação das velocidades críticas e resposta ao desbalanceamento do sistema rotor-mancal.

Tese: Determinação da Trajetória de Veí­culos Terrestres a Alta Velocidade em Pistas Pré-definidas através de Técnicas de Otimização

Aluno(a) : Danny Hernán Zambrano Carrera
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/20/2006
Local:

Resumo: Em veículos de competição com velocidades elevadas, o principal objetivo é chegar em primeiro lugar, o que significa percorrer um determinado número de voltas em uma trajetória fechada fazendo algumas manobras para cumprir o circuito no menor tempo possível, dentro das limitações impostas pelas características dinâmicas e de condução destes veículos. A otimização é uma metodologia que pode ser usada para reproduzir trajetórias e técnicas de condução usadas pelos pilotos de corrida, e também para investigar os efeitos de vários parâmetros nas condições limites da estabilidade veicular. Neste trabalho, inicialmente é apresentado o desenvolvimento de um modelo dinâmico do veículo considerando as características suficientes para análise da trajetória, influenciada por parâmetros geométricos e físicos pertinentes. Em seguida é definido o problema de obtenção da trajetória empregando procedimentos de otimização, de modo a determinar como um veículo irá percorrer um traçado, considerando como função objetivo o tempo de percurso, que deverá ser mínimo, e tendo como restrições as condições dinâmicas do veículo e geométricas da pista, implementando rotinas que sío usadas em conjunto com os algoritmos existentes na Optimization Toolbox do Matlab. Finalmente apresenta-se o comportamento do veículo, representado pelo modelo desenvolvido anteriormente em uma malha de controle de trajetória, de modo a comparar o comportamento assim obtido com aquele previsto pelo procedimento de otimização.

Tese: Análise de Vibrações de Sistemas Lineares e Não-Lineares no Contexto da Formulação Fraca, Análise Modal e Decomposição de Karhunen-Loí¨ve

Aluno(a) : Thiago Gambóa Ritto
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/09/2006
Local:

Resumo: Neste trabalho a Análise de Vibrações é tratada no contexto da formulação fraca. O Teorema da Projeção é usado e a convergência das aproximações é garantida, pois as aproximações pode serdescrita através de elementos de um espaço de Hilbert. Para discretizar um sistema contínuo é feita uma aproximação pelo Método de Galerkin. Dois tipos de escolha de bases sío discutidos, o Método dos Modos Supostos e o Método dos Elementos Finitos (MEF).A Análise Modal Clássica e suas limitações sío examinadas. A Transformada Rápida de Fourier e a Função Resposta em Freqüênciasío ferramentas essenciais no contexto de vibrações e Análise Modal. Métodos de Decomposição Ortogonal Própria, em especial a Decomposição de Karhunen-Loève, sío introduzidos como alternativaà Analise Modal para sistemas dinâmicos nío-lineares. Todas essas teorias objetivam prever o comportamento dinâmico de uma estrutura ou equipamento. A Análise de Vibrações é muito usada na manutenção preditiva de máquinas rotativas. Um sistemarotor--mancal é modelado e sua resposta dinâmica comparadaqualitativamente com a resposta dinâmica captada através deacelerômetros fixados nos mancais de um exaustor de uma siderúrgica (CST).Durante o trabalho muitos programas foram desenvolvidos através dosoftware MATLAB. O objetivo destes programas é incentivar e facilitar alunos de graduação em seus estudos em vibrações

Tese: Dinâmica de Estruturas Flexí­veis Unidimensionais

Aluno(a) : Priscilla Oliveira de Almeida
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/16/2006
Local:

Resumo: Nesse trabalho, calcula-se a dinâmica de sistemas contínuos unidimensionais. Problemas de barras e vigas com diferentes condições de contorno e condições intermediárias sío tratados no contexto da formulação fraca para que seja aplicado o Método de Elementos Finitos; e entío seja possível calcular as aproximações das freqüências naturais e dos modos de vibração do sistema. Uma vez conhecidos os modos (exata ou aproximadamente), constrói-se um modelo reduzido de equações diferenciais ordinárias e, entío, calcula-se a dinâmica do sistema. Essa dissertação propõe um material didático a ser utilizado no curso de Vibrações, com o intuito de auxiliar os alunos de graduação no estudo de sistemas contínuos, através do desenvolvimento da formulação fraca e aplicação do MEF.

Tese: Análise de Dutos com Perda de Espessura Reparados com Multicamadas Metálicas Coladas

Aluno(a) : Marco Antonio Perez Rosas
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/12/2006
Local:

Resumo: Devido à crescente necessidade de aumentar a disponibilidade de uso imediato dos dutos, o uso de reparos tem tido cada vez mais importância. Um novo método de reparo para dutos com perda de espessura externa foi analisado. O reparo consiste na utilização de multicamadas metálicas que sío coladas ao duto com adesivo epóxi. Existem vários tipos de reparos, mas o proposto, tem a vantagem de ser facilmente aplicável, sem uso de solda, e apresenta um alto módulo elasticidade, o que permite uma redução na deformação total presente na regiío do defeito. Este novo método de reparo tem como objetivo devolver a integridade estrutural do duto de uma forma simples e econômica. Para conhecer o comportamento e avaliar este tipo de reparo, utilizaram-se métodos analíticos, experimentais e numéricos. Fez-se uso da técnica de elementos finitos pela grande vantagem de poder considerar a nío linearidade do material, já que foram levadas em consideração situações de estado limite para o cálculo das pressões que originam a plastificação e a ruptura do duto. Foi desenvolvido um modelo analítico para o dimensionamento do reparo, que permitiu analisar o comportamento das tensões na regiío do defeito para cada pressío aplicada, sendo útil para uma ótima seleção do reparo. Na abordagem experimental foram testados oito espécimes tubulares: dois sem defeitos e seis com defeitos usinados para simular a perda de espessura, dos quais cinco foram reparados com diferentes números e tipos de camadas. Os espécimes foram devidamente instrumentados para a obtenção de dados de pressões, variações volumétricas e deformações ocorridas em pontos localizados nos espécimes tubulares. O duto reparado com quatro camadas de aço de baixo carbono e o duto reparado com duas camadas de aço inox 304 suportaram a pressío de ruptura de um duto sem defeito, ambos rompendo em seções longe daquelas reparadas. Os dutos reparados com uma, duas e três camadas de aço de baixo carbono romperam na regiío do defeito. Os resultados experimentais obtidos comprovaram a eficiência da nova técnica de reparo proposta, e foram satisfatoriamente previstos pelos modelos numéricos e analíticos.

Tese: Uma Formulação de Elementos Finitos Axissimétricos para Análise de Tubos Laminados em Materiais Compósitos

Aluno(a) : Guilherme Pinto Guimarães
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/25/2006
Local:

Resumo: O emprego de materiais compósitos em estruturas tem ganhado importância na prática da engenharia devido às suas características de alta resistência mecânica, baixa densidade e boa estabilidade a efeitos térmicos. Uma das classes de compósitos, a de laminados fibrosos, pode ser utilizada em tubulações sujeitas as diversas formas de carregamentos como pressío interna e/ou externa, tração longitudinal, torção, temperatura, etc. O presente Trabalho tem por objetivo propor, implementar e testar a formulação de um modelo de elemento finito axissimétrico, para a representação do comportamento de um tubo laminado por camadas de materiais compósitos fibrosos. A modelagem consiste em representar a seção geratriz de um tubo cilíndrico por um elemento quadrilateral de quatro nós, com três graus de liberdade por nó, com os deslocamentos nodais tomados em relação aos eixos de um sistema cilíndrico de coordenadas. Considera-se a perfeita adesío das camadas, garantindo a continuidade do campo de deslocamentos. Modelos constitutivos de materiais com o comportamento ortotrópico e/ou o transversalmente isotrópico foram implementados, obtendo-se respostas para os campos de deslocamentos, de deformações e de tensões atuantes. Na validação do modelo numérico considerou-se a comparação de seus resultados com os de soluções analíticas, disponíveis na literatura, e aqueles fornecidos por um programa comercial de elementos finitos, empregando o modelo com elementos sólidos. Foram propostos, para os testes em ambos os casos, exemplos de laminados com uma a quatro camadas, com fibras orientadas em diferentes ângulos. Destas comparações verifica-se uma boa convergência das soluções numéricas obtidas com o presente modelo, representativo das principais características cinemáticas da classe de problemas representada.

Tese: Desenvolvimento de um Elo Pneumático de 3 Graus de Liberdade para Manipuladores Robóticos Flexí­veis

Aluno(a) : Felipe dos Santos Scofano
Orientador(a): Marco A. Meggiolaro
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/18/2006
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Resumo: Recentemente, grande interesse tem se voltado na robótica para o conceito de manipuladores flexíveis. Estes dispositivos apresentam uma coluna vertebral deformável continuamente, em oposição aos tradicionais manipuladores robóticos elo/junta/elo com elos rígidos. Sistemas flexíveis oferecem um aumento em potencial da capacidade de interação com o ambiente, estando aptos a se ajustarem às limitações do meio através de sua deformação. Robôs flexíveis oferecem possibilidades atrativas para o uso em diversas aplicações, como em posicionamento em ambientes complexos com obstáculos, endoscópios ativos, e manuseamento de materiais frágeis. O uso de polímeros, em particular elastômeros, tem sido explorado nestes manipuladores para promover simplicidade de operação e menor rigidez, necessária para uma interação homem-máquina com maior segurança. Esta dissertação aborda o desenvolvimento de um manipulador pneumático flexível contínuo de longo alcance. O manipulador é composto por uma estrutura modular, formada por vários elos ligados serialmente, permitindo que em sua extremidade sejam acopladas ferramentas que auxiliem a execução de diferentes tarefas. O sistema é baseado em um atuador pneumático denominado Músculo Artificial Pneumático (Pneumatic Artificial Muscles, PAMs). Ao serem pressurizados, estes dispositivos se contraem, exercendo uma força em sua extremidade proporcional à pressío aplicada. A movimentação do manipulador desenvolvido é obtida a partir da diferença de pressío entre câmaras independentes localizadas em seu interior. Modelos analíticos dos sistemas desenvolvidos foram elaborados. O controle do manipulador é feito a partir de servoválvulas pneumáticas controladas por computador. Experimentos foram realizados para verificar os modelos desenvolvidos e quantificar a repetibilidade do sistema. O sistema desenvolvido é aplicado à tarefa de inspeção interna de reservatórios de combustíveis. Inspeções internas atualmente requerem um completo esvaziamento do reservatório, se tornando muito trabalhosas e resultando em altos custos. Uma versío do manipulador é adaptada para executar esta tarefa sem a necessidade de esvaziar os tanques, devido à segurança intrínseca do sistema pneumático.

Tese: Desenvolvimento de um Dispositivo Gerador de Vibroimpacto

Aluno(a) : Romulo Reis Aguiar
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/13/2006
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Resumo: A perfuração de rochas duras ainda é um grande desafio para as empresas deperfuração e exploração de petróleo. Uma das linhas de pesquisas atuaisconsiste em combinar satisfatoriamente duas técnicas de aumento da taxa depenetração. Esta nova técnica vem sendo chamada de perfuraçãopercussiva-rotativa auto-excitada. Esta dissertação se propõe adesenvolver o primeiro protótipo de um dispositivo que irá operarem ressonância e que será capaz de gerar forças dinâmicas expressivas. Deforma resumida, este dispositivo será chamado de "RIMD" (Resonant ImpactDevice). Em princípio a idéia é construir um dispositivo em forma de uma"caixa preta", na qual será montada na estrutura que vibra, tendo estacaixa dois ajustes, um calibrando a freqüência de ressonância do RIMD eoutro agindo sobre os impactos (folga). É conhecido de trabalhos anterioresque o tamanho da folga também possui influência sobre a freqüência natural do sistema. Desta forma, existe uma interdependência entre ambos os ajustes.Um dos primeiros passos no projeto e desenvolvimento do protótipo do RIMDé o dimensionamento do mesmo, de forma que seja pequeno o suficiente parafacilitar sua construção e instrumentação no laboratório de vibrações da PUC-Rio, bem como seja representativo do sistema em tamanho real (a serimplantado na coluna de perfuração). Os componentes do RIMD envolvem umsistema massa-mola com baixo amortecimento e algum dispositivo de impacto e de variação da folga. Após a concepção e construção do protótipo, ospassos seguintes do estudo sío a obtenção das características do RIMD,como a faixa de freqüências o qual atua e a medição das forças impulsivasgeradas. Por último, o protótipo também servirá para validar um modeloanalítico que permitirá investigações posteriores neste tema, podendogerar outras possibilidades de construção do RIMD.

Tese: Algorí­timos Genéticos Aplicados ao Problema de Reconstituição de Acidentes com Veí­culos Terrestres

Aluno(a) : Guilherme Nobrega Martins
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/05/2005
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Resumo: Uma das aplicações mais interessantes e desafiadoras da engenharia é a solução dos problemas inversos. Neste tipo de problema enquadra-se o tratamento científico da reconstituição de acidentes de veículos terrestres. Um outro tema diretamente relacionado é a análise de colisões, tanto no contexto da reconstituição de um acidente, quanto no que diz respeito ao grau de adequação do veículo ao impacto, associado à sua integridade estrutural e à segurança passiva dos seus ocupantes. Neste trabalho é aplicada uma técnica de otimização moderna, conhecida como algoritmo genético, para o tratamento do problema inverso em colisão de veículos terrestres, empregando modelos de veículos rígidos. Definiu-se como, a partir de restrições impostas e das posições finais dos veículos após uma colisão, o algoritmo de otimização pode fornecer o conjunto de variáveis e parâmetros que mais provavelmente levam os veículos àquela condição. Como resultado, o método foi considerado perfeitamente aplicável ao problema proposto e passível de ser utilizado como base para implementação como ferramenta de suporte à perícias judiciais em casos reais.

Tese: Dimensionamento de Juntas Soldadas Utilizando Soluções de Modelos de Placas Obtidas por Elementos Finitos

Aluno(a) : Roberto de Abreu Alvim
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/30/2005
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Resumo: Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento teórico e a implementação de uma metodologia proposta para o dimensionamento de juntas soldadas, baseada em soluções de modelos de placas obtidas por elementos finitos. A técnica consiste em, a partir da avaliação do estado de tensões nas proximidades da junta resultante da simulação numérica sob carregamentos reais, obter-se a dimensão requerida da seção transversal (seção da garganta) ao longo do comprimento do cordão de solda. No dimensionamento do cordão, consideram-se simplificações das distribuições das componentes de tensões ao longo da espessura da casca, inerentes aos modelos de cascas finas. Com o objetivo de testar-se a aplicabilidade da metodologia proposta em soluções numéricas apresenta-se, inicialmente, o dimensionamento de cordões de solda sob carregamentos simples - cisalhamento transversal, membrana e flexão - em que os resultados são verificados com os obtidos de modelos analíticos. Além destes, são também apresentadas soluções para estruturas complexas formadas por chapas soldadas, como exemplos de aplicação prática da implementação desenvolvida.

Tese: Gerenciamento da Integridade de Equipamentos Utilizando a Inspeção Baseada em Risco

Aluno(a) : Fabio de Castro Marangone
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/06/2005
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Resumo: Neste trabalho apresenta-se um procedimento que envolve técnicas de inspeção baseada em risco (IBR) e adequação ao uso, baseados nas recomendações API 581 e 579 respectivamente, para gerenciar a integridade estrutural de equipamentos estáticos e tubulações sujeitos a perda de espessura por corrosío. O risco de falha de um equipamento é analisado de forma quantitativa através do cálculo da probabilidade de falha (PoF) e da conseqüência de falha (CoF). Uma visío geral da IBR e da análise de risco é introduzida e seus objetivos, vantagens e desvantagens sío analisados. A deterioração da parede metálica de equipamentos sujeitos à corrosío causa um aumento da PoF ao longo do tempo. Esse aumento da PoF depende da taxa de corrosío, da qualidade da previsío da taxa e ainda da eficiência dos métodos de inspeção usados para detectar e quantificar essa taxa. A falha de um equipamento pode resultar em conseqüências tais como danos aos equipamentos vizinhos, danos às pessoas, parada e perda de produção, contaminação do meio ambiente e danos à imagem da empresa. Com base nesse procedimento, desenvolveu-se um programa para o gerenciamento da integridade de equipamentos. Com o programa é possível estabelecer um plano de inspeção para o equipamento, levando-se em conta a eficiência dos métodos de inspeção, com o objetivo de manter o equipamento abaixo de um risco de falha, dado como admissível. Apresenta-se entío, um exemplo de aplicação no qual um vaso separador de óleo e gás está sujeito à corrosío interna e corrosío externa. A PoF e CoF do equipamento sío calculadas de forma quantitativa. Um plano para realização de inspeções é proposto, sempre se respeitando os prazos máximos estabelecidos pela NR-13, considerando-se a eficiência da inspeção (interna, externa e teste hidrostático) adequada para detecção e acompanhamento do mecanismo de dano (corrosío interna e corrosío externa atmosférica) atuante no vaso. Verifica-se entío que com o plano proposto, consegue-se controlar o risco de falha, possibilitando assim um melhor aproveitamento dos recursos de inspeção. É verificado também se o vaso, na época da inspeção, estará adequado ao uso nas condições de operação estabelecidas

Tese: Desenvolvimento de Dispositivo para a Recuperação da Geometria de Dutos Danificados por Amassamento

Aluno(a) : Gustavo José Simíões
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/01/2005
Local:

Resumo: Este trabalho objetiva o projeto, a construção e teste de um dispositivo para reparos estruturais de tubulações danificadas externamente por amassamento. O dano a ser reparado é caracterizado por mossas sem cava, implicando em uma alteração suave da superfície sem a ocorrência de defeitos ou de redução na espessura da parede do duto. Considera-se ainda que esta perturbação geométrica nío afete a integridade de eventual cordío de solda presente na tubulação. Para a definição dos parâmetros geométricos dos corpos de prova, da carga de operação requerida nos ensaios e do material de construção do dispositivo (ferramenta) foram utilizados resultados de modelos analíticos aproximados e de soluções por elementos finitos. Neste caso, a representação da tubulação utilizada nos testes numéricos da operação do dispositivo considerou modelos com elementos de cascas finas incluido efeitos nío-lineares associados ao comportamento do material, a grandes deslocamentos e ao contato entre superfícies. Estas simulações numéricas permitiram avaliar-se as condições de solicitação e do funcionamento do dispositivo, necessárias para a execução dos procedimentos experimentais de validação do modelo numérico utilizado e para a identificação da integridade estrutural da tubulação ao final dos ensaios. Testes experimentais de operação do dispositivo foram realizados em dois espécimens tubulares de aço API5LGrB com valores nominais de diâmetro iguais a 355.6 mm e espessuras 6.35 e 25.4mm, respectivamente, ambos com 5m de comprimento. Nestes espécimens, tambem instrumentados com extensômetros elétricos, foram inicialmente impostos amassamentos por punções com geometrias padronizadas do tipo esférico e cilindrico e que resultaram na redução em 15% no diâmetro da tubulação. Em seguida, utilizando-se o dispositivo projetado para o desamassamento dos dutos, promoveu-se a recuperação da geometria de forma a deixar aparente uma indentação nío superior a 5% do seu diâmetro nominal. Ensaios de inspeção nío-destrutivos, realizados após os procedimentos experimentais nos dutos, permitiram verificar-se a integridade das tubulações, revelando em ambos os casos a inexistência de descontinuidades do material . Utilizando-se ensaios numéricos e experimentais, uma metodologia foi desenvolvida para o dimensionamento , construção e a avaliação do prototipo de um dispositivo com as características de portabilidade e de operação adequadas à sua utilização com robots automatos de posicionamento remoto no interior de tubulações (G.I.R.I.N.O./CENPES, p. ex.).

Tese: Pesquisa e Desenvolvimento de um Acionamento para Motor de Passo Operando em Baixa Tensão

Aluno(a) : Marcelo Neves Barreto
Orientador(a): Mauro Speranza e Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/22/2005
Local:

Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um acionamento para motores de passo de 2 fases destinado a operar na faixa de 12 a 18 V, tornando-o muito útil para automações em veículos, embarcações ou robôs que operam com baterias. O acionamento desenvolvido implementa o controle da corrente via "chopper" como é usual nos acionamentos de motores de passo. Mas, ao contrário do usual, o tempo do ciclo ativo da onda responsável por ativar a corrente nas fases, é pré-programado em microcontroladores, evitando-se a instabilidade e criticalidade típica dos circuitos onde é feito o sensoramento da corrente e sua realimentação para controle do ciclo ativo. Outro aspecto inovador do trabalho foi a utilização do integrado TD340 da ST Microelectronics, desenvolvido para utilização no controle de motores de corrente contínua, e que está sendo utilizado com motores de passo. Os resultados experimentais apresentados no trabalho confirmam a adequação e utilidade do acionamento desenvolvido, tornando-o compacto e robusto.

Tese: Programa de Inspeção para Ponte Rolante Baseado em Risco

Aluno(a) : Alexsandro Barbosa Silva
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 12/20/2004
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Resumo: Tradicionalmente, os equipamentos de elevação e transporte assumem uma posição de destaque na indústria, sendo as pontes rolantes uns dos equipamentos mais utilizados. No caso da ThyssenKrupp Fundições Ltda., as pontes rolantes sío responsáveis pelas principais paralisações dos negócios, trazendo prejuízos financeiros e operacionais. O emprego da IBR – Inspeção Baseada em Risco é bastante indicado para este tipo de equipamento, pois permite identificar as pontes rolantes que sío críticas e deste modo estabelecer uma metodologia de inspeção eficiente, visando concentrar esforção nestes equipamentos de modo a reduzir seu risco de falha e garantir a manutenção dos negócios. Neste trabalho analisou-se um conjunto de pontes rolantes e componentes críticos da empresa ThyssenKrupp Fundições Ltda.. Para se cumprir este objetivo, foi aplicada a metodologia de IBR qualitativa para a análise do banco de dados de manutenção e inspeção. A teoria de IBR qualitativa usou uma matriz de risco COF x FOF (Conseqüência de Ocorrência de Falhas X Freqüência de Ocorrência de Falhas) onde cada uma das 20 pontes teve sua classe de risco estabelecida. Também foi feita a análise da freqüência de falhas dos componentes de todas as 20 pontes através dos registros de inspeção e manutenção localizados dentro do período de janeiro de 1995 a junho de 2002. Após a determinação das pontes rolantes críticas (risco alto e muito alto) e dos componentes que mais falharam, foi elaborado um programa de inspeção para o gerenciamento dos mesmos, através de tabelas e fichas de inspeção onde a nova freqüência de inspeção foi calculada através da distribuição de probabilidade semi-empírica de Weibull. Além do programa de inspeção, foi proposta uma metodologia para análise dos resultados futuros obtidos com a aplicação do programa de inspeção e indicações para o contínuo aumento de sua eficiência.

Tese: Análise Bidimensional da Dinâmica de Linhas Flexí­veis Incluindo os Efeitos do Contato com o Fundo Marinho

Aluno(a) : Abel Torres Andrews
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/29/2004
Local:

Resumo: No presente trabalho é desenvolvida uma metodologia numérica para a análise estática e/ou dinâmica bi-dimensional de linhas marítimas, em que o contato com o leito marinho é contemplado, empregando-se o método dos elementos finitos. Para a representação da linha marítima considera-se um elemento de viga com dois nós, baseado no modelo de Euler-Bernoulli, onde polinômios cúbicos de Hermite sío empregados na interpolação dos campos de deslocamentos da linha central e rotações da seção reta. Um sistema coordenado co-rotacionado é definido a partir das coordenadas espaciais dos nós da estrutura e, em relação a este, todas as grandezas estáticas e dinâmicas sío referidas na imposição das equações de movimento. Na formulação sío considerados os efeitos da nío-linearidade geométrica associados ao movimento de corpo rígido da estrutura, sob a hipótese de pequenas deformações. A configuração inicial considerada na análise dinâmica é definida a partir das equações da catenária em que apenas os efeitos do peso próprio e do empuxo sío considerados. Além destes, o movimento da linha marítima é também regido pela influência dos carregamentos hidrodinâmicos devidos às correntes marinhas, deslocamentos prescritos no ponto superior da linha, forças de inércia e a ação de flutuadores. Os efeitos sobre a linha associados ao contato com o fundo marinho sío considerados na análise numérica empregando-se a técnica dos multiplicadores de Lagrange. Estes representam, basicamente, as forças e momentos requeridos para garantir as restrições geométricas. No atual estágio do modelo nío sío ainda considerados os efeitos das forças de atrito com o fundo marinho, cuja rigidez é considerada muito superior a do cabo. No procedimento numérico, a matriz de rigidez usual do modelo de vigas para cabos resulta em uma matriz aumentada de forma a também acomodar novas incógnitas: as reações resultantes da imposição das condições de contato com deslizamento. Estas reações do leito marinho sobre o cabo, carregamento do contato, sío representadas por forças e momentos. Desta forma, condições de contato e de separação repetidos (contato variável) do cabo com o leito marinho assim como os grandes movimentos relativos entre a linha e o fundo marinho sío contemplados pelo modelo numérico. Apesar de resultar em um esforço computacional maior em relação ao método de penalidades, o método dos multiplicadores de Lagrange é mais atrativo neste caso considerando-se a sua eficácia numérica. A solução das equações algébricas nío-lineares resultantes da integração temporal passo-a-passo de Newmark é obtida com a técnica iterativa de Newton Raphson. A metodologia numérica foi implementada, alguns testes representativos de situações da engenharia "offshore" sío mostrados e os resultados numéricos obtidos comparados com aqueles apresentados por outros autores independentes.

Tese: Desenvolvimento de Pigs Instrumentados para Detecção e Localização de Pequenos Vazamentos em Dutos

Aluno(a) : Daniel Almeida Camerini
Orientador(a): Arthur Braga e Claudio Soligo Camerini
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/24/2004
Local:

Resumo: O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de ferramentas de inspeção capazes de detectar e localizar pequenos vazamentos em oleodutos e gasodutos. Hoje, diversos dutos brasileiros sío equipados com eficientes sistemas de detecção de vazamentos, porém ainda nío sío capazes de detectar pequenos vazamentos causados por lentos processos de corrosío. A tecnologia de inspeção de dutos mais utilizada mundialmente é a de pigs instrumentados. O pig é lançado dentro do duto e percorre toda sua extensío identificando defeitos como amassamentos e corrosío. Neste trabalho apresentamos o desenvolvimento de pigs para detecção e localização de pequenos vazamentos em dutos. Duas tecnologias foram desenvolvidas, uma para oleodutos e outra para gasodutos. O princípio de funcionamento do pig para oleodutos se baseia no registro da variação de pressío gerada pelo vazamento. Os copos de poliuretano responsáveis pelo impulsionamento do pig sío de um tipo especial capazes de selar o volume entre dois pigs. Quando o pig passa pelo vazamento, a pressío deste volume central diminui em relação às pressões à montante e jusante do pig, gerando um sinal característico que permite a identificação. A tecnologia para gasodutos utiliza a energia acústica gerada pelo vazamento. A idéia básica é equipar o pig com microfones capazes de “escutar” o som provocado pelo vazamento propagado no próprio gás. Com uma boa interpretação da assinatura acústica deste fenômeno, é possível detectar o evento ao longo do duto. O desafio é discriminar a assinatura do vazamento dos ruídos normalmente emitidos em um gasoduto, como ruído de bombeio, ruído da turbulência da vazío, abertura e fechamento de válvulas, etc. Cada tecnologia teve seu protótipo montado e testado em campo onde vazamentos foram detectados com sucesso. Sío apresentadas as fundamentações teóricas de cada tecnologia e os resultados dos testes de laboratório e de campo. Discuti-se também a eficácia das soluções propostas para detecção de vazamentos e as possibilidades para o futuro desenvolvimento destas tecnologias.

Tese: Uma Compressão Simples para Malhas Irregulares com Alças

Aluno(a) : Ruben Goméz Dí­az
Orientador(a): Marcelo Dreux e Hélio Cortes Vieira Lopes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/06/2004
Local:

Resumo: Em muitas sío as aplicações onde se faz necessário transmitir modelos 3D via Internet. Entre eles merece destaque o compartilhamento de dados entre ambientes colaborativos situados em diferentes localidades. Este compartilhamento permite a sua análise e visualização, porém restrições de largura de banda da rede (Internet/Intranet) assim como o custo de armazenamento limitam a complexidade do modelo a ser transmitido/armazenado. As malhas geométricas sío utilizadas em diferentes áreas da computação gráfica e visualização científica, como exemplos podem se citar elementos finitos os quais sío utilizados em modelos CAD, jogos, modelagem de terrenos, geometria computacional entre outros. Devido à grande complexidade das malhas, estas sío processadas por meios computacionais usando alguma estrutura de dados que represente da melhor forma o modelo em questío. A principal motivação deste trabalho é verificar a viabilidade do uso de uma nova estrutura de dados para representar e comprimir malhas irregulares (triângulos e quadrângulos). Nesta nova abordagem será apresentada a estrutura de dados (Quadtri) derivada das estruturas de dados (HalfEdge e Corner Table) as quais representam modelos por contorno. Neste trabalho será desenvolvido um pós-processador gráfico 3D para a visualização de malhas geradas por ferramentas de modelagem por elementos finitos, assim como malhas irregulares dos mais diversos tipos dependendo da sua aplicação.

Tese: Sensor Geométrico Magnético Discriminador para PIGs Instrumentados

Aluno(a) : Vinicius de Carvalho Lima
Orientador(a): Arthur Braga e José Augusto Pereira da Silva
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/17/2004
Local:

Resumo: Operadores de dutos, diariamente, tomam decisões a respeito do melhor método ou combinação de métodos para avaliar as condições de suas tubulações. Para isso diferentes ferramentas de inspeção interna de dutos, os Pigs Instrumentados, sío utilizadas fornecendo diferentes tipos de informação quanto à integridade do duto. Múltiplas passagens de Pigs, através da mesma tubulação, têm custo operacional e em alguns casos podem até demandar interrupções na produção. Avanção recentes na tecnologia eletrônica e mecânica permitiram uma aquisição, um armazenamento, e uma integração mais eficientes dos dados dos Pigs instrumentados, possibilitando agora, que múltiplas tecnologias sejam incorporadas em uma única ferramenta. Os múltiplos tipos de dados, capturados em uma única passagem ou uma combinação precisa dos dados de diferentes corridas, fornecem aos operadores do duto, uma informação mais clara e detalhada da condição de sua tubulação. Isto permite uma melhor tomada de decisío na aplicação dos recursos para a manutenção da linha. Neste contexto, este trabalho descreve o desenvolvimento de um sensor combinando três tecnologias de inspeção para a detecção e caracterização de defeitos geométricos em tubos de aço, provocados por amassamentos, ou corrosío, o sensor Geométrico Magnético e Discriminador, GMD. Serío apresentados os aspectos técnicos, os detalhes construtivos do sensor, os testes de avaliação e os resultados de laboratório já obtidos.

Tese: Desempenho das Ferramentas de Inspeção em Linha e sua Influência na Confiabilidade Estrutural de Dutos Corroí­dos

Aluno(a) : José de Jesús Leal Carvajalino
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/21/2004
Local:

Resumo: Neste trabalho apresenta-se a avaliação do desempenho de ferramentas de inspeção em linha (ILI) ou pig instrumentado, na medição de defeitos causados por corrosío e estudam-se diferentes métodos para o cálculo da confiabilidade estrutural, ou cálculo da probabilidade de falha (POF), de um duto corroído. O relatório de inspeção do pig é avaliado através de comparação com as medições do defeito feitas por uma ferramenta de referência (medidas em campo) e os erros associados a cada sistema de medição podem ser encontrados a partir de métodos estatísticos tais como os métodos da raiz do erro quadrático médio (RMSE/D), e dos estimadores de Grubbs, de Thompson e de Jaech. As medições das duas ferramentas (pig e campo) sío também avaliadas através de testes estatísticos para a linha de tendência e o coeficiente de correlação linear (r). O número mínimo de medições de campo necessárias para verificar o desempenho do pig no dimensionamento dos defeitos de corrosío é determinado pela implementação de um teste baseado na análise seqüencial. Uma vez que o relatório do pig é avaliado e aceito, a POF de um duto corroído é calculada usando os métodos analíticos de primeira ordem (FORM) e propagação de incertezas, e o método de simulação de Monte Carlo. A POF do duto é calculada em função de modelos de pressío de falha onde suas variáveis sío definidas como funções de probabilidade (fdp). No caso das dimensões do defeito, a fdp e seus parâmetros estatísticos sío obtidos a partir da exatidío do pig. A comparação entre a POF calculada e a POF admissível permite determinar quando será necessário fazer uma nova re-inspeção. Quando a POF calculada atinge um valor maior que a POF admissível, antes de se completar um tempo desejado para a próxima inspeção, o procedimento desenvolvido permite determinar o número de reparos que deverío ser feitos para que este tempo seja alcançado.

Tese: Formulação de Cascas Espessas Axissimétricas Utilizando Elementos Finitos Enriquecidos

Aluno(a) : Harry Gustavo Saavedra Espinoza
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/01/2004
Local:

Resumo: Nesta dissertação apresenta-se uma formulação para a análise numérica de cascas espessas axissimétricas, sob os carregamentos de pressío e força distribuida ao longo de um paralelo,utilizando-se a técnica de elementos finitos enriquecidos. As discretizações dos campos de deslocamento axial e radial sío consideradas no domínio do elemento verificando-se as seguintes restrições: tensões nulas nas faces interna e externa da casca e uma combinação das soluções analíticas para cascas espessas cilíndricas e esféricas. A formulação resulta em um modelo com seis graus-de-liberdade generalizados por ponto nodal para elementos unidimensionais, considerando-se como referencia a superfície média da casca. Na imposição de condições de continuidade e de fixação associadas aos graus-de-liberdade empregou-se o método de penalidades. A formulação foi implementada e alguns testes numéricos sío apresentados para demonstrar sua aplicabilidade em comparações com outras soluções analíticas ou numéricas.

Tese: Sensor de pH a Fibra óptica para Monitoração Permanente em Dutos e Poços de Petróleo

Aluno(a) : Manoel Feliciano da Silva Jr.
Orientador(a): Arthur Braga e Luiz Carlos Guedes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/26/2004
Local:

Resumo: A detecção da corrosío metálica em estruturas complexas e de difícil acesso apresenta dificuldades que até o presente nío foram satisfatoriamente contornadas nos diversos setores industriais. Os sensores para avaliação da corrosío metálica se baseiam normalmente em corpos de sacrifício ou na monitoração da reação catódica que ocorre junto com o processo de oxidação e redução da corrosío. As condições de ambiente como temperatura, pressío, vazío, composição química e pH sío fatores determinantes da agressividade do meio e influenciam diretamente na previsío das taxas de corrosío. Na indústria do petróleo a corrosío metálica pode significar a falha prematura de equipamentos e vazamentos causando onerosas operações de manutenção e pondo em risco a segurança e o meio ambiente. O presente trabalho mostra a concepção e desenvolvimento de um sensor de pH a fibra ótica para monitoração permanente em poção de petróleo. Duas possibilidades de medida com esse intuito foram avaliadas. A primeira utiliza a medida da variação do índice de refração efetivo em uma rede de Bragg especialmente preparada para este fim imersa em um meio contendo indicadores comerciais de pH. A segunda utiliza a variação de volume proporcionada por um polímero sensível ao pH para deformar uma rede de Bragg. Os resultados experimentais obtidos mostraram que a segunda técnica possibilitava uma maior sensibilidade para as condições de operação do sensor. E permitia a utilização de múltiplos sensores a fibra óptica inclusive de outras grandezas físicas como: pressío, temperatura e vazío condição necessária para ser utilizado na avaliação das taxas de corrosío. O sensor foi avaliado em meio ácido em temperatura, solubilidade e tempo de resposta. Novas investigações com pressões e meios salinos, contudo, ainda precisam ser conduzidas para permitir sua utilização em condições reais de operação de um poço de petróleo.

Tese: Visualização de Modelos de Engenharia Via Web Utilizando VRML

Aluno(a) : Raul Ademar Valdivia Pacheco
Orientador(a): Marcelo Dreux e Roberto Santos Martins
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/27/2004
Local:

Resumo: O crescente aumento da disponibilidade de recursos computacionais para a simulação numérica permite que cientistas e engenheiros produzam enormes quantidades de dados. A melhor compreensío destes dados mediante o uso de técnicas de computação gráfica é conhecido como visualização científica. Este trabalho propõe a visualização científica de problemas de engenharia usando uma arquitetura distribuída via WEB. Os dados simulados sío lidos diretamente de um banco de dados e sío gerados arquivos com as informações necessárias para sua visualização. Geram-se arquivos com dados de pré-processamento (como nós, elementos, linhas, áreas e elementos diferenciados por índices) e pós-processamento (como deformação, deslocamento e tensões, resultados mais importantes na análise utilizando o método de elementos finitos). Considerando uma arquitetura distribuída, a simulação numérica pode ser feita em um computador (servidor) e a visualização pode ser feita em um outro computador (cliente), utilizando uma interface simples, porém robusta para a visualização, como é o caso da WEB. A utilização do formato VRML facilita a distribuição e compartilhamento nesta visualização, fazendo assim independente a plataforma do servidor, que contém o software de simulação numérica, da plataforma do cliente. Usando como caso de estudo o software de Análise de Elementos Finitos ANSYS, os resultados obtidos mostraram-se satisfatórios e melhor manipuláveis ao se comparar com resultados visualizados por aquele software. O estudo de caso pode ser estendido para outros softwares de simulação da área de mecânica dos sólidos.

Tese: Modelos de Veículos Flexíveis para Análise e Simulação de Colisões e Reconstituição de Acidentes

Aluno(a) : Fábio Vinicius Moura de Carvalho
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/19/2004
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Resumo: É apresentado um procedimento para simulação de colisões de veículos terrestres deformáveis, cuja entrada são as condições imediatamente anteriores ao choque, produzindo como saída a evolução das variáveis ao longo do tempo de duração do impacto. Foram feitas simulações de casos semelhantes aos apresentados na literatura, e os resultados obtidos validaram os modelos criados. O procedimento foi implementado em Simulink/MatLab, seguindo a mesma estrutura dos demais programas em desenvolvimento nesta linha de pesquisa, de modo a futuramente integrá-lo aos pré- processadores e pós-processadores gráficos do programa SVDV - Simulação e Visualização da Dinâmica de Veículos.

Tese: Dinâmica de um Rotor Horizontal em Apoios Elásticos

Aluno(a) : Ramiro Germán Diaz Chávez
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/21/2003
Local:

Resumo: Dentro do campo dos controladores passivos, um dos dispositivos usados pelas suas propriedades de amortecimento sío os Apoios Elásticos, que constituem uma solução econômica e efetiva na supressío ou atenuação das vibrações em sistemas dinâmicos com problemas de ressonância ou instabilidade, freqüentemente pela falta de amortecimento suficiente. Este trabalho envolve o estudo de um rotor horizontal com apoios elásticos (silicone), adaptado a partir de um rotor existente, o estudo de diversos efeitos sobre a sua operação, a medição de seu movimento , a identificação dos parâmetros do problema, a medição e validação a partir de resultados simulados em um modelo numérico. Os fenômenos incluídos no estudo sío o efeito giroscópio (rotor for do meio), desbalanceamento do rotor e empenamento do eixo. Neste trabalho os parâmetros do sistema foram determinados usando técnicas de identificação, análise modal e otimização nío linear devido à anisotropia do sistema.

Tese: Avaliação Estrutural de Dutos com Defeitos de Corrosão Reais

Aluno(a) : Ricardo Diaz de Souza
Orientador(a): José Luiz Freire e Adilson Carvalho Benjamin
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/27/2003
Local:

Resumo: A avaliação estrutural de dutos com defeitos de corrosío vem sendo estudada desde o final da década de 60. A partir dos conceitos da Mecânica da Fratura, foram elaboradas expressões semi-empíricas que permitiram estimar a pressío de ruptura de defeitos de corrosío. Desde entío, essas expressões foram sendo ajustadas e aprimoradas por testes de ensaios destrutivos e análise de elementos finitos. Os principais métodos desenvolvidos sío o ASME B31G, 085dL, “Effective Area”, DNV RP F-101 (defeitos isolados) e DNV RP F-101 (defeitos complexos). Esta tese está sendo elaborada utilizando alguns dos ensaios programados para o projeto Produt 600536, e parte dos seus resultados será aproveitada neste projeto. Para o trabalho de tese, foram utilizados cinco espécimes tubulares de aço API 5L X46, com 3,0 m de comprimento aproximado, diâmetro nominal de 457,2 mm e espessura nominal de 6,35 mm. Estes espécimes continham defeitos reais de corrosío interna, do tipo longo, localizados na geratriz inferior, e foram retirados do oleoduto Orbel I, pertencente à Petrobras, durante a sua obra de reabilitação, em 2001. Os defeitos de corrosío foram mapeados com medições manuais por ultra-som espaçadas em 20 mm e com medições mecanizadas CSCAN espaçadas em 5mm. Para cada espécime, foram realizados ensaios de tração em 4 corpos de prova, sendo 2 corpos retirados transversalmente e 2 longitudinalmente. Estes espécimes foram instrumentados com extensômetros de resistência elétrica e pressurizados até a ruptura. Para cada espécime, foram levantados diversos perfis de corrosío em função do comprimento estabelecido para o defeito e do tipo de medição (manual ou mecanizada). A pressío de ruptura foi estimada pelas equações dos métodos ASME B31G, 085dL, “Effective Area”, DNV RP F-101 (defeitos isolados) e DNV RP F-101 (defeitos complexos), utilizando planilha Excel e/ou os programas computacionais RSTRENG e DNV RP F-101. Os valores de pressío de ruptura estimados para os espécimes, utilizando os métodos acima relacionados, foram comparados com as pressões de ruptura reais, obtidas nos ensaios de pressío. Os resultados confirmaram o conservadorismo embutido no método ASME B31G e comprovaram que os métodos “Effective Area” e DNV RP-F101 (complexo), que utilizam o perfil de corrosío, apresentam resultados melhores que os métodos ASME B31G e 085dL e podem ser considerados uma boa ferramenta para avaliar defeitos de corrosío.

Tese: Identificação Paramétrica de Sistemas Mecânicos Usando Algoritmos de Subespaço

Aluno(a) : Germain Carlos Venero Lozano
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/30/2003
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Resumo: Identificação paramétrica de sistemas mecânicos é uma das principais aplicações das técnicas de identificação de sistemas na Engenharia Mecânica, especificamente para a identificação de parâmetros modais de estruturas flexíveis. Um dos principais problemas na identificação é a presença de ruidonas medições. Este trabalho apresenta uma análise na presença de ruído de alguns dos métodos no domínio do tempo aplicáveis na identificação de parâmetros modais de sistemas mecânicos lineares invariantes no tempo com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), usando como base o modelo em espaço de estados tipicamente usado em Dinâmica e Vibrações. Os algoritmos de subespaço envolvidos neste estudo destacam-se pela utilização da decomposição em valores singulares (SVD) dos dados, obtendo subespação ortogonais dos modos associados ao sistema e dos modos associados ao ruído. Outros complicadores no processo de identificação que serío explorados neste trabalho sío: flexibilidde e baixo amortecimento. Comparam-se as técnicas usando o modelo no espaço de estado da estrutura Mini-mast desenvolvida pela NASA Langley Research Center esimulações sío feitas variando o nível de ruído nos dados, o amortecimento e a flexibilidade da estrutura. O problema de identificação de parâmetros estruturais (matrizes de massa, rigidez e amortecimento) também é estudado, as características e limitações dos algoritmos utilizados sío analisados. Como exemplo de aplicação prática, um experimento foi realizado para identificar os parâmetros modais e estruturais de um rotor flexível e os resultados sío discutidos.

Tese: Aplicação de IBR, Inspeção Baseada em Risco a Oleodutos Segundo o API 581 BRD Verificação de Consistência com as Práticas Usuais da Industria para Avaliação de Risco

Aluno(a) : Mário Pezzi Filho
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/26/2003
Local:

Resumo: Verificação de Consistência com as Práticas Usuais da Indústria para Avaliação de Risco. A sociedade tem feito crescentes exigências quanto à redução de eventos com dutos, que resultem em danos à pessoa humana e ao meio ambiente. A competição de mercado exige dos operadores de dutos, confiabilidade e disponibilidade dos servição de transferência e transporte de hidrocarbonetos, importante elo da cadeia logística da produção de petróleo. Este cenário leva, muitas vezes, os agentes regulamentadores a emitirem medidas prescritivas para a garantia da integridade dos dutos. Apesar disto e de muitos operadores excederem os requisitos prescritos, muitos acidentes com dutos tem ocorrido. Em resposta a este cenário desafiante, a indústria tem se organizado para sistematizar o gerenciamento da integridade de dutos baseando-se em risco. A norma API STD 1160 - Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipelines é de aplicação específica para dutos de hidrocarbonetos líquidos instalados em áreas de grandes conseqüências, definidas pela legislação norte-americana, porém nío apresenta uma sistemática de aplicação simples e imediata. Iniciativas para indicar à indústria, metodologias simplificadas de avaliação de risco de modo a proporcionar aos operadores de dutos, ferramentas para a otimização dos recursos de inspeção com vistas à redução do risco, sío bem recebidas e devem ser incentivadas. Neste trabalho é feita uma avaliação da metodologia de IBR para plantas industriais proposta no API 581 BRD, quanto a sua aplicabilidade a dutos. É verificada ainda a sua consistência com as práticas para avaliação de risco usadas pela indústria dutoviária, representadas neste estudo, pelo aplicativo comercial chamado IAP, Integrity Assessment Program. A metodologia do API 581 BRD foi aplicada à 4 oleodutos terrestres de uma unidade de Exploração & Produção, através dos métodos qualitativo, semi quantitativo e quantitativo de análise de risco para IBR e os resultados sío discutidos. Observou-se a limitação do API 581 BRD para aplicação a oleodutos devido à falta de critérios para abordar alguns modos de falha que ocorrem em dutos e para tratar de conseqüências ambientais. Esta limitação decorre das diferenças fundamentais entre o modo de instalação de um duto e de um vaso de pressío. Mesmo assim foram avaliados programas de inspeção para os dutos estudados e os resultados alcançados foram considerados consistentes. Quanto ao software IAP, justamente por ser um aplicativo especialista, recomenda-se o seu desenvolvimento na direção da sistematização da busca de cenários mitigadores de risco otimizados em relação a custo. É proposta uma melhoria ainda mais desafiante, ou seja, a incorporação no algoritmo do IAP, do método do teorema de Bayes para se atualizar as expectativas do avaliador da integridade do duto sobre a evolução de um defeito sob observação, considerando-se a eficácia das técnicas de inspeção empregadas e o tempo decorrido entre uma inspeção e outra. Deste modo, se poderá avaliar diretamente programas de inspeção para dutos com o software IAP, usando-se uma metodologia simplificada similar à proposta no API 581 BRD adaptada para os modos de falha típicos de dutos. Recomenda-se para futuro estudo a aplicação do software em desenvolvimento para a norma API RP 580 a oleodutos para verificar igualmente sua metodologia quanto a adequação e simplicidade.

Tese: Ambiente Computacional para Integração da Simulação e da Visualização da Dinâmica de Veí­culos

Aluno(a) : Ernandes Pereira de Oliveira
Orientador(a): Marcelo Dreux e Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/16/2003
Local:

Resumo: Este trabalho tem como objetivo apresentar um ambiente computacional integrado para a simulação e visualização tridimensional da dinâmica de veículos terrestres, o SVDV. O ambiente está dividido em três módulos: interface gráfica, simulação e visualização gráfica. O módulo de interface, desenvolvido em Visual Basic, gerencia os bancos de dados e serve como ligação entre os módulos de simulação e visualização gráfica. O módulo de simulação permite a inclusío de diferentes modelos de dinâmica de veículos, estando disponíveis atualmente modelos em Matlab/Simulink, Visual C++ e MS Excel. O módulo de visualização gráfica faz uso da poderosa linguagem de programação Maxscript, linguagem de scripts do 3D Studio Max (3DS Max). Com esta linguagem é possível incluir inúmeros efeitos de iluminação, texturização e modelagem, disponíveis no 3DS Max, garantindo um elevado grau de realismo na visualização da simulação.

Tese: Sensor Discriminativo a Fibra óptica para Detecção de Vazamentos em Tanques Jaquetados

Aluno(a) : Bruno Pereira Rosas
Orientador(a): Arthur Braga e Luiz Carlos Guedes
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/13/2003
Local:

Resumo: A contaminação do solo nos postos de serviço é um risco ambiental associado à atividade de distribuição de derivados de petróleo que precisa ser controlado. O aumento deste risco está diretamente ligado à idade dos tanques e tubulações e à baixa qualidade na operação dos postos. Tais problemas vêm sendo minimizados ao longo das duas ultimas décadas graças à utilização de equipamentos mais modernos e das crescentes exigências ambientais. Nesta tese foi desenvolvido e testado em laboratório um equipamento de controle ambiental, baseado em tecnologia de sensores a fibra óptica, para a detecção de vazamentos em tanques jaquetados (dupla parede) de produtos derivados de petróleo. A detecção de vazamentos neste tipo de tanque tornou-se uma exigência dos órgíos de proteção ambiental. O uso de tanques jaquetados com sistema de detecção permite que seja evitado o contato dos fluidos combustíveis com o solo, pois, uma vez rompida a parede interna de aço carbono do tanque, o sistema de detecção de vazamento acusa a presença de hidrocarbonetos no interstício do equipamento, informando o operador do posto de serviço da necessidade imediata de manutenção. Outrossim, a discriminação do fluido quando ocorrido o vazamento é importante para que se possa detectar mais facilmente se o rompimento se deu na parede interna ou externa do tanque, possibilitando um rápido diagnóstico e a consequente tomada de medidas corretivas do problema. Com a evolução legislativa no campo ambiental e o foco do Poder Público na garantia de uma maior qualidade de vida, o País está passando por um momento de transição onde, em um curto espaço de tempo, quase que 70 dos tanques em operação deverío ser substituídos. Dessa feita, o equipamento para monitoramento ambiental desenvolvido nesta tese visa também tornar economicamente possível a substituição do atual parque de tanques por novos, já com sensores ópticos incorporados.

Tese: Dinâmica de um Rotor Vertical em Balanço com Impacto

Aluno(a) : Fredy Jonel Coral Alamo
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/06/2003
Local:

Resumo: Neste trabalho um modelo dinâmico para um rotor vertical em balanço, considerando o fenômeno de contato com a sua guarda, é analisado. O conjunto é modelado como um sistema eixo-rotor-estator com contato. A análise do contato é particularmente complexa pela nío linearidade nas equações de movimento. O impact com o estator é levado em conta através do modelo de contato tipo Kelvin-Vôigt, e, as equações de movimento, do rotor, sío deduzidas através da formulação Lagrangeana; estas equações podem capturar os fenômenos devido à vibração lateral, como: precessío direta, precessío retrógada, rolamento eescorregamento. Pela existência de diferentes parâmetros combinados e devido à nío linearidade da equação de movimento, a resposta dinâmica nío é simples de ser obtida à priori. Portanto, métodos numéricos sío empregados para a solução, especificamente emprega-se o método de Runge-Kutta Fehlberg de passo variável. Os resultados da simulação mostram que para certas condições, o rotor pode mudar de órbita devido aos impactos com o estator, podendo chegar a realizar precessío retrógrada. Este tipo de fenômeno é considerado como o mais violento e perigoso nas máquinas rotativas. Com o fim de estudar a dinâmica lateral do sistema, um rotor vertical em balanço com guarda anular é investigado. A passagem dela através de sua velocidade crítica, quando conduzida por um motor elétrico, é analisada (e também quando o sistema opera em velocidades constantes). Além disso, neste trabalho, os resultados experimentais obtidos da bancada de experimentação sío usados para estuda ro fenômeno da precessío.

Tese: Modelagem do Comportamento em Altas Freqí¼ências de Cascas Cilí­ndricas Laminadas

Aluno(a) : Carlos Enrique Rivas Aroni
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/20/2003
Local:

Resumo: Esta dissertação trata da modelagem do comportamento dinâmico de cascas cilíndricas laminadas numa faixa considerada de altas freqüências onde o comprimento de onda é menor que a espessura da casca. Nestes casos, as teorias tradicionais de cascas tem problemas para representar com acuracidade a resposta dinâmica destas estruturas. Para superar este inconveniente, empregou-se a teoria discreta de Reddy para compósitos laminados. Esta teoria tem como característica o emprego de funções de interpolação para descrever a variação dos campos de deslocamento ao longo da espessura do laminado. Assim, discretizou-se a espessua da casca em lâminas delgadas na direção radial, impondo condições cinemáticas para cada uma delas. Por isto um estado tridimensional de tensões foi assumido para cada lâmina. Esta técnica permitiu a representação de campos de deslocamentos complexos na espessura do laminado representativos daqueles associados às ondas guiadas em altas freqüências. A equação que governa a dinâmica da casca foi entío obtida no domínio da freqüência a partir da aplicação do princípio variacional, sendo empregado o método de Riccati para solucionar a mesma. A validação da metodologia proposta nesta dissertação foi feita comparando o espectro de freqüência exato com aquele previsto pela teoria aproximada. Desta forma, demonstrou-se que a teoria de Reddy é capaz de representar com precisío o comportamento dinâmico da casca cilíndrica na faixa de alta freqüência. Além disso, os resultados obtidos na faixa de baixa freqüência foram comparados pelo método dos elementos finitos com excelentes resultados.

Tese: Modelos de Veí­culos Rí­gidos para Análise e Simulação de Colisíµes e Reconstituição de Acidentes

Aluno(a) : Diogo Soares Abdulmassih
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/27/2002
Local:

Resumo: Apresentam-se nesta dissertação os principais modelos para análise e simulação de colisões e reconstituição de acidentes, desenvolvidos especialmente para reproduzir a dinâmica de uma colisío de forma adequada. Esse tipo de tratamento está se tornando uma indispensável ferramenta de auxílio nas perícias judiciais e para uma melhor interpretação de problemas de colisío em geral. Os programas desenvolvidos em MATLAB sío baseados na implementação das equações relacionadas à interação entre os veículos, supostos rígidos, que ocorre durante uma colisío e sío aplicáveis aos casos de colisões centrais e oblíquas, gerando resultados válidos e compatíveis aqueles obtidos através da teoria de conservação da quantidade de movimento, e com as medições realizadas após os acidentes.

Tese: Análise e Desenvolvimento de um Manipulador Robótico para Armazenamento de Volumes Padronizados

Aluno(a) : Joel Vieira dos Santos Jr.
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/09/2002
Local:

Resumo: Grande parte das indústrias e do comércio atacadista e varejista, depara-se com problemas referentes à estocagem de seus produtos em galpões. Visando otimizar as operações de armazenamento e recuperação destes produtos (livros, remédios, CD’s, caixas, pallets etc) e melhorar a utilização dos espação vagos, foi idealizado o desenvolvimento de um protótipo que busca funcionalidade operativa associada a baixo custo. O presente trabalho consiste na construção de um manipulador robótico, controlado através da porta paralela de um microcomputador e composto por guias lineares estruturais, fixadas a um módulo de armazenamento com escaninhos. Para a execução dos movimentos é utilizada a tecnologia de motores de passo, onde dois motores horizontais efetuam os movimentos na coordenada X e um motor vertical, na coordenada Y. Um mecanismo de garras, acionado por motoredutor, foi desenvolvido para a captação dos volumes padronizados (containers). Finalmente, um programa para gerenciamento dos movimentos também foi implementado, com o objetivo de minimizar as operações do manipulador

Tese: Análise Cinemática de um Simulador de Movimentos de Seis Graus de Liberdade com Estrutura Paralela

Aluno(a) : Flávio Luiz Vaz Vianna
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/30/2002
Local:

Resumo: Esta tese tem como principal objetivo o estudo do comportamento cinemático de um simulador de movimentos de 6 (seis) graus de liberdade, utilizando um novo conceito de análise computacional.Inicialmente, foi apresentado um software comercial, Working Model 3D, que teve seu desempenho matemático validado comparando-se seus resultados computacionais com os de outro software comercial, conhecido como Matlab.Foi introduzido, então, o conceito de mecanismos paralelos. Analisou-se, primeiramente, o mecanismo paralelo planar com três juntas rotacionais, conhecido como 3RRR. Foram feitas as análises cinemáticas e os estudos de algumas singularidades, apresentando-se ainda algumas recomendações para futuros trabalhos. O estudo do mecanismo paralelo usado em aplicações como simuladores de movimentos foi também apresentado, através da análise plataforma Stewart- Gough. A exeqüibilidade deste novo conceito de análise cinemática foi comprovada através de diversas simulações, incluindo o acoplamento de um objeto, representado por um chassi veicular, na plataforma.

Tese: Resistência de Dutos com Defeitos Usinados

Aluno(a) : Jorge Luiz Countinho Diniz
Orientador(a): José Luiz Freire e Ronaldo Vieira
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/09/2002
Local:

Resumo: Segundo Muhlbauer [1], 25 % dos acidentes com dutos sío causados por corrosío. Com o envelhecimento da malha dutoviária, os acidentes tendem a ser mais freqüentes ou seus custos de manutenção majorados. Isto porque as metodologias atuais sío, em sua maioria, demasiadamente conservativas. Com o surgimento de novas técnicas de inspeção e o avanço da microinformática, justifica-se o investimento em pesquisa e no desenvolvimento de metodologias numéricas mais fiéis ao comportamento mecânico do defeito, mantendo a segurança dos dutos e assegurando a competitividade econômica de suas operadoras. Neste trabalho utilizou-se nove espécimes tubulares de aço API 5L X60, com comprimento nominal de 2 m, diâmetro de 323 mm e espessura de 9.53 mm. Nestes espécimes foram usinados defeitos por eletroerosío com o objetivo de simular corrosío. Esses defeitos tinham espessura residual de 3 mm (30% da espessura nominal), 95.3 mm de largura (10 vezes a espessura nominal) e comprimentos entre 250 e 525 mm. Estes espécimes foram instrumentados com extensômetros de resistência elétrica especiais para grandes deformações plásticas e foram pressurizados até sua ruptura. Baseado nas geometrias dos corpos de prova existentes construiu-se modelos para a análise numérica. Esta análise utilizou o elemento sólido de oito nós por exigir um tempo computacional menor que o de 20 nós. Com relação ao elemento de casca, o elemento sólido de 8 nós modela melhor a geometria do defeito e o perfil de deformações elastoplásticas ao longo da espessura. Inicialmente foram feitas análises lineares. Estas foram seguidas de análises nío-lineares, onde utilizou-se as propriedades reais do material de cada tubo. Os valores obtidos nestas análises foram confrontados com os valores experimentais de deformações elastoplásticas medidas, com o objetivo de validar o modelo numérico, obtendo-se boa correlação. Durante a validação do modelo analisou-se o critério de ruptura numérico a ser adotado, a influência de pequenas variações da espessura, a influência do raio de adoçamento entre a superfície externa do defeito e as paredes íntegras do tubo, os incremento ótimos de pressío interna, e a importância do uso das propriedades mecânicas do material específico de cada tubo. Este trabalho faz uma análise completa dos espécimes tubulares, conseguindo desenvolver uma metodologia capaz de reproduzir o experimento. Ponderam-se todos os fatores que influenciam uma análise nío-linear e concluiu-se que a ruptura experimental acontece dentro de uma faixa de valores cujos limites dependem do critério de ruptura adotado. Verificou-se que esta faixa está compreendida entre a pressío que causa tensío equivalente de Mises igual à tensío de ruptura do material no primeiro elemento e a instabilidade numérica, que ocorre quando todos os elementos ao longo da espessura, em qualquer regiío do defeito, atingem a tensío equivalente de Mises igual à tensío de ruptura verdadeira do material. Nos casos estudados, esta faixa teve limites distantes entre si da ordem de 0.4 MPa, abaixo de 2% da pressío de ruptura.

Tese: Análise e Desenvolvimento Experimental de uma Traçadora Gráfica para Desenhar em Superfí­cie Vertical

Aluno(a) : Jorge Luiz Fontanella
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/26/2002
Local:

Resumo: Esta pesquisa visa ao desenvolvimento de um protótipo de traçadora gráfica, para desenhar sobre uma superfície rígida na posição vertical. A principal aplicação desta traçadora é no segmento de comunicação visual para anúncios em grandes superficies. Com a intenção de atingir alto grau de flexibilidade nesta utilização, a traçadora é concebida para trabalhar em coordenadas polares, dispensando um quadro fixo composto de várias guias lineares como seria o caso de uma traçadora x, y. Numa primeira parte, apresenta-se o layout básico, a construção do protótipo e as equações cinemáticas que governam o movimento. Em seguida, é feita uma análise estática da traçadora e do momento máximo requerido para movimentar o braço, visando à correta especificação dos atuadores. Com base nas equações geométricas utilizadas, foi elaborado um algoritmo de traçado que contempla as nío linearidades inerentes ao problema. Vários testes com figures geométricas foram realizados, para a avaliação do protótipo.

Tese: Desenvolvimento de Sensor Acústico a Fibra óptica para Medidor de Vazão Sí´nico

Aluno(a) : Wagner Mundy Valverde Filho
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/28/2001
Local:

Resumo: Nesta dissertação sío relatadas as etapas que resultaram na construção do protótipo de um sensor acústico a fibra óptica. O trabalho faz parte de um projeto mais amplo visando o desenvolvimento de um medidor de vazío sônico baseado em fibras ópticas. Nesta fase inicial, os esforção foram voltados para a concepção, construção e testes do protótipo do sensor responsável pela deteção dos sinais sônicos emitidos por uma fonte também baseada em tecnologia de fibras ópticas. O uso de um sensor extrínseco foi a solução aqui empregada, que adota uma proposta de medição diferente da utilizada em medidores de vazío sônicos convencionais. O sistema de medição de vazío proposto na linha de pesquisa na qual este trabalho está inserido, baseia-se em medidas de variação de fase, em contraste com o método sônico tradicional, que utiliza medidas de tempo de trânsito para daí inferir a vazío volumétrica do fluido que escoa pelo duto. O sistema foi concebido para operar apenas numa banda estreita de freqüências, casada com o sinal senoidal emitido pela fonte sonora. Neste trabalho um sensor acústico a fibra óptica foi projetado, montado e testado, tendo seu funcionamento sido demonstrado para freqüências de operação em torno de 3,7 kHz. A escolha desta faixa de freqüências deveu-se basicamente a limitações do sistema de leitura optoeletrônico utilizado nos testes de medição. Entretanto, uma vez que o princípio de funcionamento foi demonstrado com sucesso, nío existem a priori limitações para o re-dimensionamento do sensor de forma que este possa vir a operar em bandas de freqüência mais elevadas.

Tese: Uma Introdução í  Redução de Modelos através da Expansão de Karhunen-Loí¨ve

Aluno(a) : Claudio Wolter
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/25/2001
Local:

Resumo: Esta dissertação tem como principal objetivo estudar aplicações da expansío ou decomposição de Karhunen-Loève em dinâmica de estruturas. Esta técnica consiste, basicamente, na obtenção de uma decomposição linear da resposta dinâmica de um sistema qualquer, representado por um campo vetorial estocástico, tendo a importante propriedade de ser ótima, no sentido que dado um certo número de modos, nenhuma outra decomposição linear pode melhor representar esta resposta. Esta capacidade de compressío de informação faz desta decomposição uma poderosa ferramenta para formulação de modelos reduzidos para sistemas mecânicos em geral. Em particular, este trabalho aborda problemas em dinâmica estrutural, onde sua aplicação ainda é bem recente. Inicialmente, sío apresentadas as principais hipóteses necessárias à aplicação da expansío de Karhunen-Loève, bem como duas técnicas existentes para sua implementação, com domínios distintos de utilização. É dada especial atenção à relação entre os modos empíricos fornecidos pela expansío e os modos de vibração intrínsecos a sistemas vibratórios lineares, tanto discretos quanto contínuos, exemplificados por uma treliça bidimensional e uma placa retangular. Na mesma linha, sío discutidas as vantagens e desvantagens de se usar esta expansío como ferramenta alternativa à análise modal clássica. Como aplicação a sistemas nío-lineares, é apresentado o estudo de um sistema de vibroimpacto definido por uma viga em balanço cujo deslocamento transversal é limitado por dois batentes. Os modos empíricos obtidos através da expansío de Karhunen-Loève sío, entío, usados na formulação de um modelo de ordem reduzida, através do método de Galerkin, e a robustez deste novo modelo investigada em diferentes situações dinâmicas.

Tese: Desenvolvimento de um Ambiente Computacional para Simulação e Visualização da Dinâmica de Veí­culos Terrestres

Aluno(a) : Alexandre Rodrigues Tavares
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/21/2001
Local:

Resumo: Foi desenvolvido neste trabalho um conjunto de procedimentos computacionais com o objetivo de estudar o comportamento dinâmico de veículos terrestres. Utilizando recursos de armazenamento em banco de dados, programas de simulação de modelos dinâmicos e de geração de animações gráficas é possível analisar o comportamento dos veículos, representados por modelos matemáticos consagrados ou que estejam sendo desenvolvidos. A característica mais importante da estrutura computacional implementada neste trabalho é o conceito de modularidade, ou seja, diversos modelos dinâmicos podem ser empregados e simulados, a partir da alteração ou adaptação dos módulos correspondentes, sem que seja necessário modificar toda a estrutura. O ambiente de banco de dados pode armazenar os parâmetros dos veículos e pneus, além da descrição da pista e da trajetória a ser percorrida. O objetivo é que todas as informações pertinentes ao estudo da dinâmica de veículos estejam contidas neste banco de dados, e que futuramente ele se torne um ponto de referência para consultas diversas nesta área. Já o ambiente de animação gráfica permite apresentar a trajetória real percorrida pelo veículo, que depende de suas características dinâmicas, e os seus movimentos típicos, como as rotações em torno dos eixos lateral e longitudinal, além de possibilitar a visualização do contexto no qual o veículo está inserido e o acompanhamento do percuso através de câmeras localizadas em posições escolhidas pelo usuário.

Tese: Modelagem e Simulação de um Dinamí´metro para Motores Elétricos Empregados nos Veí­culos Terrestres em Escala

Aluno(a) : Josélio Alves Machado
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/01/2001
Local:

Resumo: Este trabalho apresenta a modelagem e a simulação de um dinamômetro para motores elétricos empregados nos veículos terrestres em escala, e a especificação dos principais componentes, mecânicos e eletrônicos, necessários para construção de um dinamômetro do tipo "Flywheel". Todos os componentes que compõe um dinamômetro foram modelados matematicamente e simulados individualmente, para posterior simulação do conjunto nas condições de operação dos motores elétricos aplicados em veículos rádio-controlados. Estas simulações, que visam validar os modelos, com o monitoramento das principais variáveis de cada componente do sistema, foram empregados motores cujos parâmetros e desempenho eram conhecidos. Foi desenvolvido ainda um programa em LabView para ler e tratar os dados gerados na simulação, a fim de manipular e exibir o desempenho dos motores em testes.

Tese: Controle Robusto de Vibrações: Aplicações de um Controlador H2 / H∞

Aluno(a) : Elizabeth Roxana Villota Cerna
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/25/2001
Local:

Resumo: O controle ativo de vibrações consiste na supressío ou atenuação das vibrações mediante a adição deliberada de forças de controle ao sistema. O controle ativo de vibrações tem um grande interesse na indústria aeroespacial devido às restrições de peso. As técnicas de controle ótimo nío sío propícias qu ando se tem dinâmica nío-mdelada, incertezas paramétricas e ambientes ruidosos, como é o caso na indústria aeroespacial. Assim, as técnicas de controle robusto parecem mais adequadas. A procura da maior vizinhança em torno de uma dada planta nominal dada para a qual um único controlador produz estabilidade em malha fechada pode ser formulado como o problema de controle H∞. De fato, para muitos problemas de controle que requerem bons desempenhos, como por exemplo, controle de grandes sistemas espaciais , o controle ótimo robusto (controle H2 / H∞ ) é um dos que assegura arobustez em estabilidade e o desempenho ótimo requerido. O presente trabalho considera o problema de atenuação de distúrbios para uma viga flexível simplesmente apoiada. A viga é modela como um sistema de parâmetros concentrados. Um procedimento é estabelecido de forma que se leve em conta o desempenho da viga controlada e a robustez em estabilidade do sistema controlado. O problema de controle foi formulado em um contexto Hilbertiano que permitiu garantir a existência (e unicidade) da solução. Uma aproximação de controlador é calculada através de uma projeção da solução em um espaço de dimensío finita gerado pelo método de Galerkin considerando-se funções racionais como base par um espaço de Hardy ponderado. Resultados da aplicação indicam que o desempenho é fortemente relacionado à estabilidade. Existe um compromisso entre estabilidade e desempenho. Quando se incrementa uma, perde-se na outra.

Tese: Dinâmica de Linhas Marí­timas pelo Método dos Elementos Finitos

Aluno(a) : Eduardo Magalhães Lustosa
Orientador(a): Carlos A. de Almeida
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 11/01/2000
Local:

Resumo: Este trabalho apresenta uma abordagem pelo método dos elementos finitos para o cálculo da resposta tridimensional, estática e dinâmica, de estruturas unidimensionais total ou parcialmente imersas em um fluido em movimento. A técnica utilizada baseia-se na separação do movimento de corpo rígido dos deslocamentos totais do elemento resultando naqueles que efetivamente causam deformações, consideradas infinitesimais, sob condições de rotações finitas. A posição da estrutura é definida por um conjunto de eixos co-rotacionados e a avaliação das rotações deste sistema é detalhada. O estudo apresentado considera as nío-linearidades decorrentes da mudança de geometria, do acoplamento entre os mecanismos de rigidez axial e transversal e do carregamento hidrodinâmico, considerado proporcional ao quadrado da velocidade relativa entre fluido e estrutura. Na discretização espacial das equações de equilíbrio, a hipótese de pequenas deformações é empregada. Desta forma, a utilização do sistema de coordenadas co-rotacionado permite considerar-se um elemento de dois nós baseado no modelo de viga de Euler-Bernoulli com funções de interpolação dos deslocamentos nodais utilizando os polinômios cúbicos de Hermite e referidos ao sistema convectivo de cada elemento. Na integração de cada elemento. Na integração temporal das equações de equilíbrio, utiliza-se o procedimento passo-a-passo de Newmark juntamente com a técnica iterativa de Newton-Raphson, obtendo-se, a cada instante de tempo, a configuração correspondente ao equilíbrio dinâmico da estrutura discretizada. O procedimento apresentado foi implementado em um programa de computador tendo-se verificado, para diversos exemplos, uma convergência satisfatória entre os resultados do modelo implementado e aqueles obtidos de outros com origem independente.

Tese: Identificação de Sistemas de Estruturas Mecânicas e Aplicações

Aluno(a) : James Wilson Aliaga Salazar
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 07/28/2000
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Resumo: Os objetivos deste trabalho sío três: o primeiro é fazer uma revisío suscinta da teoria de sistemas lineares e de estimação de parâmetros que é usada nos problemas de estruturas mecânicas; o segundo consiste no estudo do algoritmo ERA (Eigensystem Realization Algorithm) que fornece uma realização mínima, usando os sinais de entrada (forças, momentos, impulsos) e saída (acelerações); e o terceiro objetivo é desenvolver algumas aplicações tanto numéricas quanto experimentais. Assim, é realizado um estudo dos sistemas dinâmicos determinísticos e estocásticos para fornecer alguns conhecimentos básicos. Da mesma forma, sío apresentados características e propriedades dos estimadores Bayesianos, de máxima verossimilança e de quadrados mínimos. Com esta base, o algoritmo ERA e o algoritmo alternativo chamado ERA/OKID (Observer Kalman Filter Identification) sío descritos. Como o uso de um observador faz com que o problema tenha uma estrutura estatística, o que permite ao estimador trabalhar com ruído, foi estudado o comportamento de ERA e ERA/OKID aplicados numa treliça bidimensional afetada por diferentes níveis de ruído. A última parte deste trabalho corresponde às aplicações, que estío divididas em parte experimental e parte numérica: na parte experimental, foram gerados dois conjuntos de dados a partir de dois experimentos. Em cada um deles, uma treliça tridimensional foi excitada por uma força randômica e foram medidas as acelerações em doi pontos da estrutura. Com um dos conjuntos de dados, identificou-se um modelo de espaço de estado de ordem mínima, usando ERA e ERA/OKID. Compararam-se os sinais de saída gerados pelo modelo identificado e pela estrutura real para cada um dos sinais de entrada. A idéia é obter um modelo de espaço de estado de ordem mínima sem ter que fazer uma modelagem matemática prévia. Na parte numérica é feita uma aplicação do algoritmo RSS (Remote Sensor System) usando um sistema de massas, molas e amortecedores. Este algoritmo, proposto em [42] é famoso porque foi usado para identificar se ocorria algum dano na estação espacial MIR depois de cada processo de acoplamento. No processo de identificação do algoritmo RSS, foram usados ERA e ERA/OKID.

Tese: Aplicação da Fotoelasticidade RGB na Indústria do Vidro

Aluno(a) : Ana Cristina Cosme Soares
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/10/2000
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Resumo: A fotoelasticidade é uma ferramenta poderosa para análise de tensões em problemas bi e tridimensionais. Nos últimos anos a técnica vem ganhando renovado interesse da comunidade científica devido à adaptação de modernas técnicas de aquisição e processamento digital de imagens. Uma das linhas mais promissoras é a Fotoelasticidade RGB, que entende a cor como uma combinação única dos níveis de intensidade das componentes Red, Green e Blue. Trata-se de uma metodologia poderosa, porém de fácil compreensío e aplicação em ambientes industriais. Uma aplicação tradicional da fotoelasticidade é na inspeção de tensões residuais em componentes de vidro, utilizando-se a Norma ASTM F218. Esta Norma estabelece dois procedimentos para a determinação da ordem de franja isocromática: um quantitativo e outro qualitativo. O vidro tem birrefringência muito baixa, o que faz com que a resposta ótica seja basicamente em tons de cinza. No seu procedimento qualitativo a Norma ASTM F218 recomenda a utilização de um filtro retardador de onda inteira. Com esse simples procedimento, a resposta ótica se modifica. No lugar de tons de cinza tem-se cores em torno da passagem do vermelho para o azul, o que simplifica muito a análise de birrefringência por um operador. A aplicação da Fotoelasticidade RGB para componentes de vidro, transforma este método qualitativo em quantitativo: a cor deixa de ser um parâmetro abstrato, e passa a ser um número. Este trabalho analisa os procedimentos necessários para aplicar a Fotoelasticidade RGB à indústria do vidro. A Norma ASTM F218 recomenda que o filtro de onda inteira, seja inserido com sua direção principal alinhada à direção principal de cada ponto analisado. Foi pesquisada a diferença entre os resultados obtidos, quando a norma é seguida, e quando é utilizado um procedimento simplificado, ou seja, é utilizada apenas uma posição do filtro para analisar todos os pontos. Além disso, o método foi aplicado a dois casos: um esteme e um bulbo de lâmpada. Nos dois casos, foram analisados um componente considerado "bom" e outro considerado "ruim", por seu fabricante, procurando mostrar seus estados de tensões residuais através da Fotoelasticidade RGB.

Tese: Um Procedimento Preliminar para a Avaliação de Integridade Estrutural Aplicado í s Estruturas de Grande Porte

Aluno(a) : Alberto Edwin Ildefonso Alvino
Orientador(a): José Luiz Freire
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 05/05/2000
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Resumo: O presente trabalho, propõe um procedimento de Avaliação de Integridade Estrutural (AIE) nível I aplicado a estruturas de grande porte, e relaciona a AIE com a Análise de Risco (AR) através de um modelo de Lógica Nebulosa. A partir de uma AIE nível I o cálculo da Vida Residual (VC) é feito, considerando os fenômenos de danos por fadiga, corrosío e fadiga - corrosío. A VC é comparada com uma Vida Desejada (VD), a qual é obtida da matriz de risco. Se VC é menor que a VD, recomenda-se fazer uma AIE nível II, ou fazer um programa de substituição do equipamento. Se VC é maior que VD determina-se um Tempo de Inspeção (T) baseado na Análise de Risco. A VD, que é a mínima vida residual aceitável em uma estrutura de grande porte, é determinado de uma Análise de Risco. Para isso, o especialista constrói uma matriz de risco, na qual, indicam-se os diferentes níveis de risco aceitáveis para as estruturas. Para cada nível de risco associa-se uma VD e uma probabilidade desejada de falha (Pfd). O presente trabalho propõe duas metodologias para cálculo de VC e T, a primeira baseada em um modelo teórico e a segunda em lógica nebulosa, onde os cálculos e simplificações sío feitos considerando uma AIE nível I.

Tese: Monitoração de Defeitos Superficiais em Vigas Utilizando Sensores e Atuadores Piezoelétricos

Aluno(a) : Sérgio Ricardo Kokay Morikawa
Orientador(a): Arthur Braga e Antonio Lopes Gama
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 04/19/2000
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Resumo: O uso de sistemas de monitoração em tempo real da integridade de estruturas e componentes mecânicos tem demonstrado um grande potencial como alternativa para técnicas convencionais de inspeção e manutenção. A possibilidade de monitoração contínua de falhas e defeitos pode permitir que sejam evitadas paradas desnecessárias para inspeção durante a operação de equipamentos. Neste trabalho é apresentada uma técnica de monitoração do crescimento de defeitos superficiais em vigas e estruturas utilizando sensores e atuadores piezoelétricos. A técnica proposta baseia-se no uso de cerâmicas piezoelétricas (sensores/atuadores), diretamente coladas na superfície da estrutura, para acompanhar variações na resposta eletromecânica do conjunto à medida que os defeitos se tornam mais profundos. Para avaliar o método proposto, foram realizados experimentos e simulações computacionais em vigas contendo entalhes usinados e trincas de fadiga. O potencial de aplicação da técnica proposta foi também avaliado para aplicações em estruturas reticuladas simples. A partir dos resultados obtidos, foram levantadas correlações entre a queda relativa do sinal e o aprofundamentoo do defeito. Os resultados experimentais e numéricos obtidos, que exibiram uma concordância satisfatória. demonstraram que o método proposto apresenta uma boa sensibilidade e reprodutibilidade. Nesta dissertação, foi também desenvolvido um sistema de aquisição e filtragem de sinais que pode possibilitar o emprego da técnica proposta na monitoração de defeitos estruturais com o componente mecânico sob condições normais de funcionamento.

Tese: Desenvolvimento e Testes de um Acionamento em Micropasso Utilizando Duas Tecnologias Distintas

Aluno(a) : Juan Mario Paniagua Vargas
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/31/2000
Local:

Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento e testes de um sistema de acionamento de motores de passo em nível de micropasso, utilizando duas tecnologias distintas. A crescente capacidade de regulação e a possibilidade de chaveamentos precisos das correntes de fase dos motores de passo, tem possibilitado o surgimento de acionamento em micropasso cada vez mais eficientes. Com isto, a nociva, e, muitas vezes, limitadora trepidação dos motores de passo operando em passo inteiro ou meio passo, foi grandemente reduzida, fazendo com que este tipo de motores sejam uma solução viável em quase todos os projetos de automação e robótica. Nos acionamentos convencionais, é fundamental o acompanhamento do nível da corrente na fase do motor. Este acompanhamento, por ser realizado em baixos níveis de tensío e na presença de ruído, acaba sendo um sério inconveniente exigindo uma montagem elaborada e eventuais filtros. O presente trabalho apresenta duas propostas de acionamentos em micropasso. Uma, do tipo convencional com realimentação de corrente de fase, e outra, em que a necessidade do acompanhamento da corrente é eliminado. Os testes indicam a viabilidade do novo conceito, apresentando resultados extremamente animadores.

Tese: Modelagem de um Simulador de Movimentos para Veí­culos Terrestres em Escala

Aluno(a) : Roberth Waldo Angulo Llerena
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/25/2000
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Resumo: No presente trabalho desenvolveu-se o projeto básico de um Simulador de Movimentos em Escala, que é um equipamento utilizado para reproduzir as excitações de base provocadas pelo movimento sobre o qual um veículo em escala trafega. Utilizando modelos consagrados na literatura, obteve-se a representação matemática do Simulador, que é tratado como 3 subsistemas acoplados entre si, mediante a aplicação de um procedimento baseado no Fluxo de Potência. Para o tratamento dos modelos em escala é empregada a Teoria de Similaridade, através da qual sío determinados números adimensionais que relacionam o sistema real com o seu equivalente reduzido ou ampliado. Sío apresentadas 3 metodologias, das quais duas tradicionais, e uma outra que é conhecida como Método por Inspeção. Aplicam-se estes procedimentos a modelos de veículos com 1, 2, 4 e 7 graus de liberdade. Emprega-se também a Análise Dimensional para achar um modelo em escala do Simulador e do sistema completo, isto é, o conjunto Simulador - Veículo acoplado. Para todos os casos sío realizadas simulações para os modelos real e em escala, utilizando parâmetros típicos encontrados na literatura ou em manuais de operação de equipamentos semelhantes, com o objetivo de verificar o comportamento dos sistemas, determinar a influência da redução ou ampliação do tamanho, e validar os procedimentos empregados.

Tese: Laços de Histerese Elastoplásticos Gerados sob Carregamentos Complexos

Aluno(a) : Tiago Guizzo
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/02/1999
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Resumo: Neste trabalho sío avaliadas as incertezas experimentais associadas à obtenção das propriedades necessárias ao método eN. Além disto, analisa-se o problema da flambagem inelástica nos testes eN. Verifica-se a metodologia tradicional e a metodologia implementada na linguagem ViDa para descrição dos lação de histerese. Discute-se a melhor maneira de obtenção experimental das propriedades mecânicas necessárias ao método eN. Conclui-se que há a necessidade de mudanças, na obtenção das propriedades mecânicas e na metodologia tradicional para descrição dos lação de histerese.

Tese: Avaliação da Influência de Parâmetros Geométricos na Performance de um Giroscópio em Suspensão Cardânica com Dois Graus de Liberdade

Aluno(a) : Geraldo Gurgel Filho
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 06/21/1999
Local:

Resumo: Este trabalho visa avaliar o comportamento dinâmico de um Giroscópio em Suspensío Cardânica com dois graus de liberdade de suas equações de movimento, obtidas analiticamente, considerando possíveis imprecisões de fabricação ou variações na geometria esperada. A partir do resultado de simulações de um sistema real em vôo, pretende-se compará-las com o resultado de simulações realizadas com o modelo analítico e avaliar as causas de possíveis discrepâncias. Assim, analisa-se a influência da variação de parâmetros geométricos na precisío de medição de um giroscópio cardânico de dois eixos sob a ação do sistema em uma manobra de inclinação e sob a ação de uma elevada aceleração linear quando houver uma excentricidade no centro de gravidade do rotor. Duas hipóteses vío ser exploradas, uma idealizando o rotor do giroscópio como livre no espaço, outro imaginando a influência dos quadros da suspensío cardânica, tomados todavia como rígidos. Apresenta-se uma implementação que testa vários parâmetros geométricos, e procura-se adequar a forma de representar os resultados de tal forma que seja possível uma validação do modelo matemático proposto.

Tese: Uma Introdução ao Controle Robusto com Aplicações a Estruturas Flexí­veis

Aluno(a) : Carlos Eduardo Ingar Valer
Orientador(a): Rubens Sampaio
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/11/1999
Local:

Resumo: Este trabalho tem como objetivos principais a apresentação, análise e síntese de sistemas de controle por realimentação de saídas com características robustas. São consideradas incertezas no modelo do tipo não estruturada ( dinâmica não modelada ) e estruturada ( valores desconhecidos nos parâmetros ), distúrbios ( entradas desconhecidas ) e ruídos no sensor. Ênfase especial é dada ao projeto de sistemas de controle implementados usando observadores de estado, que representam um tipo especial de sistemas de controle por realimentação de saídas. Uma revisão dos principais tipos de observadores é feita, incluíndo observadores robustos com capacidade de rejeição e estimação simultânea de distúrbios, comparando suas características através de um exemplo. Logo após, o sistema resultante, quando observadores de estado são introduzidos na lei de controle, é analisado em presença de incertezas, mostrando a limitação na validade do Princípio da Separação. Técnicas modernas de controle robusto são usadas para melhorar as propriedades de robustez dos sistems de controle, entre elas: Recuperação da Função de Transferência da Malha (LTR) e Controle H-infinito. É mostrado também, que através de uma escolha conveniente dos parâmetros livres do controle LQG, é possível sintetizar controladores robustos. Estas técnicas são usadas para resolver problemas específicos no controle de estruturas flexíveis, incluíndo perturbações na entrada da planta, incertezas paramétricas. As técnicas aplicadas no presente trabalho demonstram eficácia e simplicidade.

Tese: Propagação de Energia em Sistemas de Isolamento de Vibrações

Aluno(a) : Alberto Coronado Mattuti
Orientador(a): Rubens Sampaio e Fernando Alves Rochinha
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/11/1999
Local:

Resumo: Sistemas de isolamento de vibrações sío utilizados numa grande variedade de aplicações (automóveis, edifícios, estruturas espaciais como aeronaves, satellites e em máquinas rotativas) para reduzir a transmissío de vibrações geradas por equipamentos ou transmitidas pela vizinhança a eles. Um isolamento é obtido inserindo-se um componente mecânico (isolador) que desempenha o papel de vínculo entre o sub-sistema que contém a perturbação e o sub-sistema a ser isolado. Duas sío as quantidades geralmente utilizadas para avaliar a efetividade de um sistema de isolamento: a transmissibilidade e a potência. Neste trabalho foi utilizada a potência, sendo esta uma metodologia mais geral que pode ser facilmente utilizada em sistemas complexos, mas tem a desvantagem de uma difícil avaliação experimental. Nesta tese, serío estudados numericamente vários sistemas de isolamento passivo com components rígidos ou flexíveis, os quais serío modelados por suas respectivas matrizes de mobilidade ou impedância. Estas matrizes serío obtidas por métodos analíticos ou numéricos dependendo da conveniência de cada caso específico. Os projetos tradicionais de sistemas de isolamento geralmente consideram uma excitação unidirectional e avaliam somente alguns components da resposta do sistema, isso pelas limitações que impõe o uso da transmissibilidade. Além disso, eles nío dío a devida importância a alguns parâmetros de configuração geométrica do sistema (localização e ângulo de inclinação dos isoladores, localização dos apoios da base, etc.). No presente trabalho, sera mostrada a relevância desses parâmetros mencionados anteriormente no processo de busca configurações ótimas e também se verá como essas configurações sío fortemente dependents do tipo de excitação do sistema, para isso serío utilizadas combinações de excitações harmonicas multidirecionais.

Tese: Concepção de uma Bancada para Análise de Fení´menos Rotativos

Aluno(a) : Alvaro Enrique Chavez Alvarado
Orientador(a): Hans Weber
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/26/1999
Local:

Resumo: Este trabalho possibilita o desenvolvimento de um protótipo para uma bancada de rotação em escala reduzida pela modelagem, simulação e variação dos parâmetros usando o método analítico e o método dos elementos finites. A estrutura da bancada é composta por duas seções, cada uma delas com três discos (rotores), unidas por um acoplamento. A bancada está ancorada numa base (estrutura), e foi montada sobre uma mesa isolada. As seções sío acionadas por um motor elétrico (CA) monitorado por um inversor de frequência. A avaliação da sensibilidade dos parâmetros do sistema tais como: características de eixo, dos rotores (massas e inércias) e mancais. Forneceram um melhor entendimento do comportamento dinâmico. Os parâmetros do sistema foram escolhidos de tal forma a poder medir o desbalanceamento, empenamento do eixo, anisotropia dos mancais. Com este protótipo de bancada, sera possível estudar as influências do acoplamento e desalinhamento nos mancais em sua operação, procurando-se obter dados experimentais que permitam conhecer o desenvolvimento dinâmico deste tipo de máquinas rotativas (sistemas multirotor-mancais).

Tese: Influência da Suspensão na Dirigibilidade e Estabilidade de Veí­culos em Curva

Aluno(a) : Felipe Tavares de Vilhena Brandão
Orientador(a): Mauro Speranza
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 02/12/1999
Local:

Resumo: Neste trabalho sío apresentados modelos para a dinâmica vertical e para a dinâmica lateral de veículos terrestres e desenvolve-se um procedimento para o acoplamento desses modelos. A simulação computacional é empregada para a análise e comparação do desempenho de veículos com suspensío convencional e ativa, quanto à dirigibilidade e estabilidade em curva. É realizado um estudo sobre a influência dos parâmetros típicos dessas suspensões no comportamento das principais variáveis que caracterizam a dinâmica dos veículos, utilizando dados reais.

Tese: Modelagem de Atuadores Piezoelétricos para Vigas Compósitas

Aluno(a) : Luis Paulo Franco de Barros
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/23/1998
Local:

Resumo: Esta Dissertação trata da modelagem dos esforção transmitidos por atuadores piezoelétricos, colados ou embutidos em vigas composites laminadas. O trabalho é motivado por aplicações na area de materiais e estruturas inteligentes. Em particular, procura-se avaliar o comportamento de diferentes teorias aproximadas nas faixas de medias e altas frequencies, quando os comprimentos de onda podem ser da ordem da espessura da viga. Nestes casos, teorias tradicionais de vigas deixam de representar com acuracidade a resposta dinâmica de estruturas composites. Além disso, modelos convencionais que procuram representar os esforção gerados pelo atuador por forces e momentos fletores equivalents, geralmente resultants de uma análise estática, deixam de ser efetivos. Sío estudados modelos baseados na Teoria Clássica de Laminação (hipótese cinemática de Bernoulli-Euler), Teoria de Deformação Cisalhante de Primeira Ordem (hipótese cinemática de Timoshenko) e na Teoria Discreta de Laminação proposta por Reddy (Reddy’s Layerwise Theory). Os três modelos sío escritos na forma de equações de estado, e um método de solução é proposto para se obter a matriz de impedância dos atuadores. Resultados dos modelos estudados sío comparados com os obtidos pelo método dos elementos finites (código ANSYStm). Sío apresentados resultados para atuadores formados por camadas de PZT e alumínio, bem como por camadas intercaladas de PZT, Aramide-Epóxi e Alumínio.

Tese: Automação da Aquisição e Análise de Dados Extensométricos

Aluno(a) : Luciano Gurgel Valente
Orientador(a): Jaime Tupiassú
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 10/05/1998
Local:

Resumo: Sistemas de aquisição e visualização de dados multicanais automatizados vêm se impondo como a tendência nas aplicações que demandam a medição e análise de resultados de testes. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema orientado à extensometria com as características mencionadas, e este sistema foi testado em diversas aplicações correlacionadas. Sío analisadas a performance, vantagens e desvantagens dos programas quando aplicados em três diferentes técnicas extensométricas: tradicional utilizando-se Ponte de Wheatstone, medição direta de resistência (ligação em 4 fios), e medição de Tensões Residuais pelo método do furo cego.

Tese: Texturas Aplicadas ao Método da Radiosidade

Aluno(a) : Ricardo Birtel Mendes de Freitas
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 09/30/1998
Local:

Resumo: Reflexões difusas de uma dada superfície podem ser modeladas acuradamente considerando-se a transferência de energia entre superficies, seguida da aplicação do princípio de conservação de energia. A técnica que implementa esse conceito é chamada de Método da Radiosidade. Imagens realistas de uma cena que contenha em grande parte superficies difusas podem ser produzidas usando-se essa técnica. Por outro lado, o método original é mais apropriado para representação realista de superficies suaves, ou lisas (sem rugosidade). Mas a maioria dos objetos nío possuem superficies desse tipo. Modificar o método básico da Radiosidade levando-se em conta esse fato resultaria em uma tarefa extremamente complexa para se aplicar ao modelo de iluminação global. Um meio termo adequado para se conseguir uma boa representação de superficies rugosas seria a pós-renderização das superficies usando um modelo de iluminação local, feita logo após da aplicação do método básico da Radiosidade. As Técnicas que procuram adicionar detalhes de superfície no nível de iluminação local sío conhecidas por Métodos de Texturização, dos quais podemos citar o Mapeamento de superficies, “Bump mapping” e Texturas procedurais como exemplos. O presente trabalho é uma tentativa de produzir imagens realistas usando uma combinação das duas técnicas descritas. Partindo-se de um pacote gráfico existente que implementa o método básico de Radiosidade, foram feitas modificações no código fonte com o intuito de implementar técnicas de texturização de pós-renderização em dois casos (Mapeamento de superficies e Texturas procedurais). O resultado foi a produção de imagens que, embora nío totalmente corretas (do ponto de vista da conservação de energia), conferem às cenas um maior grau de realismo.

Tese: Desenvolvimento de um Sistema de Medição de Deformações Utilizando Rede de Bragg em Fibras ópticas

Aluno(a) : Ricardo Leiderman
Orientador(a): Arthur Braga
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 08/17/1998
Local:

Resumo: O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um sistema de medição de deformações utilizando redes de Bragg em fibras ópticas. Experiências preliminaries empregando um analisador de espectro óptico comprovaram que a relação entre deformação e translação espectral do sinal refletido pelo do sensor é linear. Baseado neste princípio, foi proposto um circuito óptico para a demodulação do sinal. Este circuito, de construção simples e barata, utiliza uma rede de Bragg como sensor e outra, com largura spectral bem maior, como filtro óptico. Dois fotodetetores sío responsáveis pela recepção do sinal e por tornar o sistema auto-compensável. Dois métodos de calibração do sistema, um numérico e outro experimental, sío apresentados e testados. A partir dos resultados das experiências, sugestões sío feitas no sentido de melhorar os métodos de calibração. A automatização das calibrações e medicos é proposta e um método de separação de efeitos de temperatura e deformação mecânica é apresentado.

Tese: Robótica Aplicada a Reconhecimento de Ambientes

Aluno(a) : Luiz Eduardo Azambuja Sauerbronn
Orientador(a): Marcelo Dreux
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/09/1998
Local:

Resumo: O propósito da Visío Robótica consiste em permitir que um robô entenda o ambiente em que se situa a partir de informações visuais. O mundo no qual robôs se movem é tridimensional e dinâmico. Ele se altera em função do próprio movimento do robô e do movimento dos demais objetos. A presente Dissertação descreve a implementação de sistema robótico autônomo, que utiliza visío para alcançar objetivos pré-determinados. Consiste, essencialmente, em um robô que carrega consigo uma camera de video. Esta camera transmite as imagens capturadas (por radio) para um micro à distância. Este micro processa a imagem e retorna ao robô (também por radio) os comandos referentes a que trajetória deve ser seguida. Este processo ocorre sucessivamente até alcançar-se o objetivo pré-determinado. A característica multi-disciplinar do projeto reune três areas distintas do conhecimento, sendo elas: Mecânica, Eletrônica (Linear e Digital) e Processamento Digital de Imagens. Descreve-se a implementação de cada area isoladamente e de que forma sío integradas a fim de formar um sistema único.

Tese: Estudo e Desenvolvimento de Máquina de Corte Computadorizada para Materiais Flexí­veis

Aluno(a) : Walter de Brito Vidal Filho
Orientador(a): Solly Andy Segenreich
Área de Concentração: Mecânica Aplicada
Data: 03/06/1998
Local:

Resumo: O presente trabalho aborda o desenvolvimento e construção de um protótipo de uma máquina, de baixo custo, para corte automático de materiais flexíveis controlada por computador. A motivação deste é a crescente importância, no contexto da indústria nacional, da manufatura de materiais flexíveis. Enfatiza-se aqui o corte de tecido, apesar da grande variedade de materiais utilizados pela indústria do vestuário. O problema aqui abordado, consiste no controle simultâneo de três graus de liberdade e na escolha da ferramenta de corte que melhor se preste a este tipo de material. O terceiro grau surge na utilização de uma ferramenta de corte por aresta cortante, onde gira-se a ferramenta para alinhar o fio de corte com a tangente à trajetória. No corte de materiais flexíveis como tecido, a fixação do material é um outro ponto crítico. Por sua natureza flexível a fixação de alguns pontos nío garante a rigidez do todo, podendo o mesmo enrugar com a passagem da ferramenta de corte. Como será visto o estudo das alternativas de ferramentas determinou uma configuração de porta-ferramenta e ferramenta que elimina o problema crítico da fixação e simplifica o processo de corte. No sistema computacional de controle procurou-se garantir uma boa precisío do posicionamento, no controle de três graus de liberdade, bem como uma iniciativa de eliminar o terceiro grau de liberdade pelo controle de um porta-ferramenta excêntrico.