Atenuação de vibrações em pás de helicópteros utilizando circuito piezelétrico semi-passivo

O uso de materiais inteligentes em problemas de controle de vibração tem sido investigado em diversas pesquisas ao longo dos últimos anos. Apesar de que diferentes materiais inteligentes estão disponíveis, o piezelétrico tem recebido grande atenção devido à facilidade de uso como sensores, atuadores, ou ambos simultaneamente. As principais técnicas de controle usando materiais piezoelétricos são os ativos e passivos. Circuitos piezelétricos passivos são ajustados para uma frequência específica e, portanto, a largura de banda efetiva é pequena. Embora os sistemas ativos possam apresentar um bom desempenho no controle de vibração, a quantidade de energia externa e hardware adicionado são questões importantes. As técnicas SSD (Synchronized Switch Damping) foram desenvolvidas como uma alternativa aos controladores passivos e controladores ativos de vibração. Elas podem ser técnicas semi-ativas ou semi-passivas que introduzem um tratamento não linear na tensão elétrica proveniente do material piezelétrico e induz um aumento na conversão de energia mecânica para energia elétrica e, consequentemente, um aumento no efeito de amortecimento. Neste trabalho, o controle piezoelétrico semi-passivo de uma pá piezelétrica engastada é apresentado e comparado com outros controladores. O modelo não linear electromecânico de uma pá com piezocerâmicas incorporados é determinado com base no método variacional-assintótico (VAM). O sistema rotativo acoplado não linear é resolvido no domínio do tempo, utilizando um método de integração alfa-generalizado afim de garantir a estabilidade numérica. As simulações são realizadas para uma vasta gama de velocidades de rotação. Em primeiro lugar, um conjunto de resistências (variando desde a condição de curto-circuito para a condição de circuito aberto) é considerada. O efeito da resistência ótima (que resulta em máximo amortecimento) sobre o comportamento do sistema é investigado para o aumento da velocidade de rotação. Mais tarde, a técnica SSDS é utilizada para amortecer as oscilações da pá com o aumento da velocidade de rotação. Os resultados mostram que a técnica SSDS pode ser um método útil para o controle de vibrações de vigas rotativas não lineares, tais como pás de helicóptero.

Modelagem do absorvedor e do gerador de ciclos de refrigeração por absorção de calor com o par amônia/água baseados na tecnologia de filme descendente sobre placas inclinadas.

Esse trabalho constitui o desenvolvimento da modelagem térmica e simulação por métodos numéricos de dois componentes fundamentais do ciclo de refrigeração por absorção de calor com o par amônia/água: o absorvedor e o gerador. A função do absorvedor é produzir mistura líquida com alta fração mássica de amônia a partir de mistura líquida com baixa fração mássica de amônia e mistura vapor mediante retirada de calor. A função do gerador é produzir mistura líquido/vapor a partir de mistura líquida mediante o fornecimento de calor. É proposto o uso da tecnologia de filmes descendentes sobre placas inclinadas e o método de diferenças finitas para dividir o comprimento da placa em volumes de controle discretos e realizar os balanços de massa, espécie de amônia e energia juntamente com as equações de transferência de calor e massa para o filme descendente. O objetivo desse trabalho é obter um modelo matemático simplificado para ser utilizado em controle e otimização. Esse modelo foi utilizado para calcular as trocas de calor e massa no absorvedor e gerador para diversas condições a partir de dados operacionais, tais como: dimensões desses componentes, ângulo de inclinação da placa, temperatura de superfície e condições de entrada da fase líquida e vapor. Esses resultados foram utilizados para estabelecer relações de causa e efeito entre as variáveis e parâmetros do problema. Os resultados mostraram que o ângulo de inclinação da placa ótimo tanto para o absorvedor como para o gerador é a posição vertical, ou 90°. A posição vertical proporciona o menor comprimento de equilíbrio (0,85 m para o absorvedor e 1,27 m para o gerador com as condições testadas) e se mostrou estável, pois até 75° não foram verificadas variações no funcionamento do absorvedor e gerador. Dentre as condições testadas para uma placa de 0,5 m verificou-se que as maiores efetividades térmicas no absorvedor e gerador foram respectivamente 0,9 e 0,7 e as maiores efetividades mássicas no absorvedor e gerador foram respectivamente 0,6 e 0,5. É esperado que os dados obtidos sejam utilizados em trabalhos futuros para a construção de um protótipo laboratorial e na validação do modelo.

Desenvolvimento da modelagem de turbulência e interação fluido-estrutura para as vibrações induzidas por vórtices de cilindro rígido.

Esta tese apresenta o desenvolvimento e aplicação de modelos de turbulência, transição laminar-turbulenta e de interações fluido-estrutura ao escoamento externo em cilindro rígido estacionário e em vibrações induzidas por vórtices. Tais desenvolvimentos foram realizados no código ReFRESCO, baseado em técnicas de dinâmica de fluidos computacional (CFD). Realizou-se um estudo quanto ao desempenho do modelo k- SST em extensa faixa de números de Reynolds, segundo o qual se identificaram as deficiências de modelagem para este escoamento. A modelagem adaptativa das escalas (SAS) e o modelo de transição por correlações locais (LCTM), ambos combinados ao SST, melhoraram a aderência aos resultados experimentais para este escoamento, em uma contribuição original deste trabalho. A aplicação de técnicas de verificação e validação possibilitou a estimação de incertezas e erros para os modelos e números de Reynolds e também de identificada como outra contribuição deste trabalho. A combinação da modelagem em SST, SAS e LCTM com movimentos impostos de realizada para números de Reynolds moderados, diferentes frequências e amplitudes de vibração, algo que poucas publicações abordam em detalhes. Com relação aos movimentos livres, este trabalho traz contribuições com a aplicação dos modelos SST e SAS ao estudo de vibrações induzidas por vórtices em dois graus de liberdade, baixa razão de massa e números de Reynolds moderados, mais altos do que normalmente observados na literatura. Por fim, a investigação da importância relativa de efeitos da turbulência aos casos de movimentos livres e impostos, com relação ao caso de cilindro estacionário, comprovou a conjetura formulada na parte inicial deste trabalho, no que tange à escolha do modelo de turbulência em determinadas aplicações. Tal escolha mostrou-se menos decisiva no caso do cilindro em movimento imposto e ainda menos nos movimentos livres, em comparação ao caso estacionário, uma vez que a resposta em movimentos do corpo filtra grande parte dos efeitos turbulentos de ordem superior. Esta observação mostra-se relevante, uma vez que pode permitir simplificações na modelagem e aplicação de ferramentas de CFD em uma classe importante de projetos de engenharia.

Passarela estaiada com tabuleiro de madeira laminada protendida em módulos curvos

É inegável a importância do desenvolvimento de tecnologias de uso racional da madeira e de solução de problemas de transportes em nossas cidades, principalmente por causa do processo crescente de urbanização do mundo. Existe também, a necessidade estética de se unir à alta tecnologia, o belo. As passarelas estaiadas com tabuleiro de madeira laminada protendida, em módulos curvos, atendem a todas estas exigências. A construção de um protótipo permitiu que a realização de ensaios estáticos e dinâmicos, cujos resultados evidenciaram a viabilidade técnica e econômica de passarelas estaiadas usando madeira de reflorestamento, de tabuleiros compostos apenas por placas de madeira laminada protendida e da construção de placas curvas de madeira laminada protendida. Também foi possível comprovar que as vibrações induzidas por pedestres são a condição mais crítica de projeto. A investigação da perda de curvatura do tabuleiro demonstrou o sucesso do projeto, embora mais estudos ao longo do tempo sejam necessários. Baseando-se nos resultados experimentais, realizou-se a calibração do modelo numérico, que permitiu realizar simulações para determinar quais variáveis definem a resposta da passarela construída. Sugestões de procedimentos de elaboração e construção de passarelas, assim como de criação de norma brasileira específica para pontes e passarelas de madeira, são apresentadas.

Modelagem e simulação de reator de cultivo de microalgas tipo \"open pond\".

Mudança climática é um processo global, real e inequívoco. Para sua mitigação, a substituição de combustíveis fósseis por energias renováveis está sendo cada vez mais empregada. Devido à rápida velocidade de crescimento das microalgas, seu cultivo é visto como uma das alternativas mais promissoras para a produção de biocombustíveis. No presente trabalho, foi elaborado um modelo matemático fenomenológico que descreve o crescimento da microalga Chlorella vulgaris. Este modelo foi validado através de experimentos realizados em um reator piloto com capacidade de 1000 L tipo \"open pond\" (reator de raias) aberto ao ambiente, em condições não-axênicas. A variação de concentração devida à evaporação e/ou adição de água foi levada em conta no modelo. O modelo matemático desenvolvido, contendo dois parâmetros ajustáveis, descreve a variação da concentração de biomassa em função do tempo sob condições variáveis de luminosidade e temperatura. Os parâmetros ajustáveis são q (constante para conversão de intensidade luminosa em crescimento fotossintético, em klux-1 min-1) e Imax (limite máximo de intensidade luminosa, em klux). Previamente ao projeto do reator, foram realizados experimentos em reator de laboratório (utilizando a metodologia Taguchi) com o objetivo de determinar quais os fatores mais críticos para o crescimento da espécie de microalga selecionada e que, por isso, deveriam ser controlados com maior precisão. Além disso, foi analisada teoricamente a relevância da consideração do transporte de massa de CO2 no processo. Como este transporte é muito mais lento, a resistência controladora do processo é o crescimento fotossintético. Após a construção do reator piloto, foram realizados dois experimentos preliminares (os quais serviram para aperfeiçoar o aparato e o procedimento experimental) e três experimentos definitivos, registrando-se dados ambientais (temperatura, intensidade luminosa e pH) e de concentração ao longo do tempo. Utilizando os dados de temperatura e luminosidade em função do tempo como entrada, os parâmetros q e Imax otimizados foram ajustados às curvas de concentração versus tempo de cada experimento. Para tal foram desenvolvidos programas de integração de equações diferenciais e de otimização escritos em ambiente Scilab®. Verificou-se que, apesar da variabilidade devida às condições ambientais dos experimentos, obteve-se boa aderência dos dados simulados aos experimentais. Uma análise estatística dos parâmetros q e Imax calculados em cada experimento forneceu coeficientes de variação para estes parâmetros de 17 % e 5 %, respectivamente. Concluiu-se, portanto, que o modelo matemático desenvolvido neste trabalho pode ser empregado para prever o desempenho de um reator de raias em condições ambientais variáveis, bastando para isto o ajuste de dois parâmetros.

Estudo experimental do fenômeno de vibração induzida por vórtices em cilindro rígido livre para oscilar com dois graus de liberdade.

O fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV) é um problema fundamental dentro da Mecânica dos Fluidos e um exemplo importante de interação fluido-estrutura. Esta tese investiga fenômeno de VIV quando um cilindro rígido, submetido a escoamento uniforme, está livre para oscilar na direção transversal e alinhada com a corrente incidente. A tese foi estruturada ao redor de sete perguntas relacionadas ao fenômeno de VIV: 1) O fenômeno e os resultados experimentais são repetitivos? 2) Como ocorre a transição entre ramos de resposta? 3) Qual é o papel da inércia da estrutura oscilante? 4) Qual é o papel de sua rigidez? 5) Quais são as frequências naturais mais importantes da estrutura? 6) Quais padrões de esteira se desenvolvem para VIV com dois graus de liberdade? 7) Quais são os efeitos do movimento na direção alinhada com a corrente no processo de formação e desprendimento de vórtices? O fenômeno de VIV é estudado de maneira experimental em uma base elástica pendular capaz de oscilar com o mesmo momento de inércia e frequência natural nas duas direções. Os experimentos de VIV foram realizados em canal de água recirculante e com diferentes condições de inércia e rigidez. A técnica de velocimetria por imagem de partículas foi usada e permitiu identificar diferentes padrões de esteira de vórtices. Verificou-se que o VIV é repetitivo a nível de amplitudes médias e frequências dominantes. A transição dos ramos pode ocorrer de maneira intermitente ou com histerese. Os parâmetros de inércia e rigidez da estrutura são capazes de mudar o regime de oscilação e, para algumas condições, suprimir as vibrações alinhadas com a corrente. Dentre os padrões de esteira observados, um deles não havia sido relatado na literatura e é definido nesta tese. O novo modo de emissão apresenta dois vórtices com circulação oposta e elevada intensidade emitidos por ciclo. A influência da direção alinhada com o escoamento está relacionada a dois efeitos: a velocidade relativa entre o cilindro e o fluido, responsável pelo aumento da circulação dos vórtices na esteira, e o ângulo de fase do movimento nas direções alinhada e transversal, capaz de mudar o processo de formação dos vórtices.

Influência da rigidez vertical no comportamento mecânico e dimensionamento da via permanente ferroviária.

A via permanente representa um elemento imprescindível na composição do transporte ferroviário e seu desempenho deve ser adequado, de forma a garantir tanto segurança quanto conforto. Assim, diversos aspectos devem ser analisados ainda na fase de projeto, através de dimensionamentos que confrontem diferentes parâmetros da resposta da via e os limites estabelecidos. Dessa forma, o conhecimento do comportamento mecânico da via, devido aos esforços impostos pela passagem do material rodante, passa a ser essencial no projeto de uma estrutura que garanta os requisitos necessários, sem ser inviável economicamente. Visto que esse comportamento mecânico é muito sensível à rigidez vertical da estrutura, o presente trabalho apresenta análises da influência desse parâmetro na resposta da via e, consequentemente, no seu dimensionamento. Nesse contexto, o trabalho abrange tanto o caso de vias em lastro solicitadas por trens de carga, quanto o caso de vias em laje solicitadas por trens de passageiros em meios urbanos. No primeiro caso são realizados estudos paramétricos, por meio de modelos clássicos e um modelo mecanicista, para a análise de momentos fletores e deflexões nos trilhos, bem como tensões verticais nas camadas de lastro, sub-lastro e subleito. Já no segundo caso, são realizados estudos paramétricos relativos à transmissibilidade e à atenuação de vibrações causadoras de ruído secundário. Também é feita uma análise da influência da rigidez vertical na amplificação dinâmica das cargas estáticas, que pode ser aplicada a ambos os casos citados e até extrapolada para casos de vias de alta velocidade. Os resultados mostraram que aumentos de rigidez vertical resultam em ganhos do ponto de vista de momentos fletores e deflexões nos trilhos, além de maior resistência e capacidade de dissipação de tensões verticais nas camadas de lastro, sub-lastro e subleito. Por outro lado, esses aumentos também levaram a maiores tensões nas camadas subjacentes à grade citadas, além de atenuações de vibrações em menores intervalos de frequência e maiores amplificações dinâmicas das cargas estáticas em vias de alta velocidade. Assim, é mostrado que a influência da rigidez vertical, tanto da via como um todo quanto de alguns elementos específicos, não deve ser analisada de forma genérica, pois, dependendo do parâmetro da resposta da via considerado no dimensionamento, seu aumento pode representar uma influência positiva ou negativa.

Avaliação da influência de aplicação de vibração mecânica na microestrutura e em características mecânicas de juntas do aço inoxidável martensítico CA6NM soldadas pelo processo FCAW

O aço inoxidável martensítico ASTM A743 CA6NM é utilizado para produzir componentes especiais para turbinas hidráulicas, devido às suas boas propriedades mecânicas combinadas com alta resistência à corrosão e cavitação e uma boa soldabilidade. As turbinas hidráulicas são produzidas por meio de múltiplos passes de solda em peças espessas obtidas por fundição. Durante a operação, estes componentes estão sujeitos à erosão por cavitação e trincas em regiões tensionadas, que são reparados também por meio de soldagem. Após o processo de soldagem, um tratamento térmico pós-soldagem é comumente utilizado para aliviar as tensões residuais. Porém, existem dificuldades significativas para a realização de tratamento térmico nas turbinas hidráulicas, tais como a complexidade da geometria de solda, a possibilidade de distorção no caso de quaisquer cargas mecânicas, dificuldade em aquecer simetricamente, e também o tratamento térmico pode causar degradação das propriedades do material. Assim, existe um grande interesse no desenvolvimento de procedimentos de soldagem que elevem a tenacidade ao impacto e evitem o tratamento térmico pós-soldagem. Neste trabalho, a aplicação de vibrações mecânicas durante e após a soldagem para aliviar tensões residuais foram avaliadas em juntas de aço inoxidável martensítico CA6NM soldadas pelo processo Flux Cored Arc Welding (FCAW). A utilização de vibrações mecânicas para reduzir e redistribuir as tensões residuais das estruturas soldadas através da aplicação de carga vibratória pode gerar muitos benefícios. Testes de impacto Charpy (-20 °C), ensaios de tração e dobramento foram realizados conforme ASME IX, e perfis de microdureza nas diferentes regiões da solda foram conduzidos para a caracterização mecânica das juntas soldadas. A caracterização microestrutural foi realizada utilizando difração de raios X, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados de propriedades mecânicas das amostras vibradas atenderam as exigências especificadas por norma, na qual o processo com tratamento térmico é recomendado para a soldagem deste tipo de aço, visando atingir os níveis de tenacidade do material original. Com relação à microestrutura não foram observados alterações significativas para as amostras vibradas em comparação com a condição \"como soldado\", porém para a condição com tratamento térmico pós-soldagem foi observado uma pequena quantidade de austenita retida, que são precipitadas após o tratamento térmico e permanecem finamente distribuídas após o resfriamento e auxiliam no ganho de tenacidade das juntas soldadas.

Método para análise da interação fluido-estrutura em travessas do pré-distribuidor de turbinas hidráulicas.

Um dos grandes desafios enfrentados pelos fabricantes de turbinas hidráulicas é prevenir o aparecimento de vibrações induzidas pelo escoamento nas travessas do pré-distribuidor e pás do rotor. Considerando apenas as travessas, e atribuídos a tais vibrações, foram relatados 28 casos de trincas ou ruídos anormais nas últimas décadas, que acarretaram enormes prejuízos associados a reparos, atrasos e perda de geração. O estado da arte na prevenção destes problemas baseia-se na utilização de sofisticados, e caros, programas comerciais de dinâmica dos fluidos computacional para o cálculo transiente do fenômeno. Este trabalho faz uma ampla revisão bibliográfica e levantamento de eventos de trincas ou ruídos ocorridos em travessas nos últimos 50 anos. Propõe, então, um enfoque alternativo, baseado exclusivamente em ferramentas de código aberto. A partir de hipóteses simplificadoras devidamente justificadas, o problema é formulado matematicamente de forma bidimensional, no plano da seção transversal da travessa, levando em conta a interação fluido-estrutura. Nesta estratégia, as equações de Navier-Stokes são resolvidas pelo método dos elementos finitos por meio da biblioteca gratuita oomph-lib. Um código especial em C++ é desenvolvido para o problema de interação fluido-estrutura, no qual o fenômeno de turbulência é levado em consideração por meio de um algoritmo baseado no modelo de Baldwin-Lomax. O método proposto é validado por meio da comparação dos resultados obtidos com referências e medições disponíveis na literatura, que tratam de problemas de barras retangulares suportadas elasticamente. O trabalho finaliza com a aplicação do método a um estudo de caso envolvendo uma travessa particular.