Optimal design of piezolaminated structures using B-spline strip finite element models

A package of B-spline finite strip models is developed for the linear analysis of piezolaminated plates and shells. This package is associated to a global optimization technique in order to enhance the performance of these types of structures, subjected to various types of objective functions and/or constraints, with discrete and continuous design variables. The models considered are based on a higher-order displacement field and one can apply them to the static, free vibration and buckling analyses of laminated adaptive structures with arbitrary lay-ups, loading and boundary conditions. Genetic algorithms, with either binary or floating point encoding of design variables, were considered to find optimal locations of piezoelectric actuators as well as to determine the best voltages applied to them in order to obtain a desired structure shape. These models provide an overall economy of computing effort for static and vibration problems.

Simulação numérica do comportamento de lajes: aplicação do método dos elementos finitos a problemas tridimensionais de elasticidade linear usando o freeFEM++

O presente trabalho entende a dedução das Equações de Compatibilidade, Equilíbrio, bem como as Leis Constitutivas, de modo a resolver numericamente problemas de Elasticidade Linear formulados para Lajes de Betão. A solução numérica é obtida usando o Método dos Elementos Finitos, implementado em freeFEM++, e comparada com os resultados conseguidos no SAP2000 e com os dados tabelados nas Tabelas de Barès, validando-se desta forma os modelos implementados através do freeFEM++.

Sistema de movimentação linear extensível com accionamentos electromecânicos sincronizados

Esta dissertação tem como objectivo estudar uma solução mecânica e eléctrica que permita anular o tempo de uma operação de não produção numa linha de prensagem instalada numa fábrica de indústria automóvel, a Autoeuropa. No início desta dissertação começa-se por encontrar uma solução de movimentadores telescópicos compatíveis com as restrições de espaço, os requisitos de sincronismo entre ambos e os objectivos de anulação do tempo de não operação. Seguidamente passou-se a uma fase de modelação do sistema mecânico, para permitir estudar o comportamento dinâmico do sistema proposto. Encontrado o movimentador mecânico adequado e feita a sua modelação foram estudadas possíveis soluções para o accionar, bem como formas de o controlar. Este sistema multimáquina foi estudado com dois tipos de máquinas eléctricas e métodos de controlo devido a necessitar de uma dinâmica bastante rápida, com exigência de grande sincronismo entre os dois movimentadores separados, e ainda com vista a tentar explorar a possibilidade de ter menor número de variadores electrónicos do que de máquinas eléctricas. Para tal recorreu-se ao ambiente Matlab para modelar e simular todo o sistema proposto nas suas variantes. Por fim são extraídas diversas conclusões, procurando-se clarificar a viabilidade da ideia e escolher a melhor opção de accionamento. No caso estudado, como o objectivo futuro é aplicar a solução proposta num ambiente industrial definido, há que ter em atenção não só a melhor opção técnica mas também o preço.

Development of fire-resistant (B1 & B2) winter 1 KPU foams applied by gun or straw adapter and optimization of a gun applied winter 1 KPU foam

A realização do presente trabalho teve como principais objectivos o desenvolvimento de espumas de poliuretano de um componente com propriedades de resistência à chama superiores (B1 & B2), aplicadas por pistola ou por adaptador/tubo e a optimização de uma espuma de poliuretano de um componente de inverno aplicada por pistola. Todo o trabalho desenvolvido está dividido em dois projectos distintos: i. O primeiro projecto consistiu em desenvolver espumas de um componente com propriedades de resistência à chama (classificadas como B1 e B2 de acordo com a norma alemã DIN 4102), aplicadas por pistola (GWB1 e GWB2) ou por adaptador/tubo (AWB), utilizando polióis poliésteres aromáticos modificados e aditivos retardantes de chama halogenados. Estas espumas deveriam apresentar também propriedades aceitáveis a baixas temperaturas. Após realizar várias formulações foi possível desenvolver uma espuma AWB2 com apenas 3,3% de poliol poliéster no pré-polímero e com propriedades equivalentes às da melhor espuma comercial mesmo a 5/-10 (temperatura da lata/cura da espuma em °C) e também com uma altura de chama de apenas 11 cm. A partir de duas formulações (AWB2) que passaram o Teste B2, foram obtidas também, uma espuma GWB2 e outra GWB1 com propriedades equivalentes às da melhor espuma da concorrência a -10/-10 e a 23/5, respectivamente, embora não tenham sido submetidas ao teste B2 e B1 após as modificações efectuadas. ii. O segundo projecto consistiu em optimizar uma espuma de poliuretano de um componente de inverno aplicada por pistola (GWB3). A espuma inicial tinha problemas de glass bubbles quando esta era dispensada a partir de uma lata cheia, sendo necessário ultrapassar este problema. Este problema foi resolvido diminuindo a razão de GPL/DME através do aumento da percentagem em volume de DME no pré-polímero para 14% no entanto, a estabilidade dimensional piorou um pouco. O reagente FCA 400 foi removido da formulação anterior (6925) numa tentativa de diminuir o custo da espuma, obtendo-se uma espuma aceitável a 23/23 e a 5/5, com uma redução de 4% no custo da produção e com uma redução de 5,5% no custo por litro de espuma dispensada, quando comparada com a sua antecessora. Por último, foi avaliada a influência da concentração de diferentes surfactantes na formulação 6925, verificando-se o melhoramento da estrutura celular da espuma para concentrções mais elevadas de surfactante, sendo este efeito mais notório a temperaturas mais baixas (5/5). Dos surfactantes estudados, o B 8871 mostrou o melhor desempenho a 5/5 com a concentração mais baixa, sendo portanto o melhor surfactante, enquanto o Struksilon 8003 demonstrou ser o menos adequado para esta formulação específica, apresentando piores resultados globais. Pode-se ainda acrescentar que os surfactantes L-5351, L-5352 e B 8526 também não são adequados para esta formulação uma vez que as espumas resultantes apresentam cell collapse, especialmente a 5/5. No caso dos surfactantes L-5351 e L-5352, esta propriedade piora com concentrações mais elevadas. Em cada projecto foram também efectuados testes de benchmark em determinadas espumas comerciais com o principal objectivo de comparar todos os resultados das espumas desenvolvidas, em ambos os projectos, com espumas da concorrência.

Projecto de um conversor redutor CC-CC comutado para SoC

A evolução da tecnologia CMOS tem possibilitado uma maior densidade de integração de circuitos tornando possível o aumento da complexidade dos sistemas. No entanto, a integração de circuitos de gestão de potência continua ainda em estudo devido à dificuldade de integrar todos os componentes. Esta solução apresenta elevadas vantagens, especialmente em aplicações electrónicas portáteis alimentadas a baterias, onde a autonomia é das principais características. No âmbito dos conversores redutores existem várias topologias de circuitos que são estudadas na área de integração. Na categoria dos conversores lineares utiliza-se o LDO (Low Dropout Regulator), apresentando no entanto baixa eficiência para relações de conversão elevadas. Os conversores comutados são elaborados através do recurso a circuitos de comutação abrupta, em que a eficiência deste tipo de conversores não depende do rácio de transformação entre a tensão de entrada e a de saída. A diminuição física dos processos CMOS tem como consequência a redução da tensão máxima que os transístores suportam, impondo o estudo de soluções tolerantes a “altatensão”, com o intuito de manter compatibilidade com tensões superiores que existam na placa onde o circuito é incluído. Os sistemas de gestão de energia são os primeiros a acompanhar esta evolução, tendo de estar aptos a fornecer a tensão que os restantes circuitos requerem. Neste trabalho é abordada uma metodologia de projecto para conversores redutores CCCC comutados em tecnologia CMOS, tendo-se maximizado a frequência com vista à integração dos componentes de filtragem em circuito integrado. A metodologia incide sobre a optimização das perdas totais inerentes à comutação e condução, dos transístores de potência e respectivos circuitos auxiliares. É apresentada uma nova metodologia para o desenvolvimento de conversores tolerantes a “alta-tensão”.

Toplological Entropy in the Syncronization of Piecewise Linear and Monotone Maps. Coupled Duffing Oscillators

In this paper is presented a relationship between the synchronization and the topological entropy. We obtain the values for the coupling parameter, in terms of the topological entropy, to achieve synchronization of two unidirectional and bidirectional coupled piecewise linear maps. In addition, we prove a result that relates the synchronizability of two m-modal maps with the synchronizability of two conjugated piecewise linear maps. An application to the unidirectional and bidirectional coupled identical chaotic Duffing equations is given. We discuss the complete synchronization of two identical double-well Duffing oscillators, from the point of view of symbolic dynamics. Working with Poincare cross-sections and the return maps associated, the synchronization of the two oscillators, in terms of the coupling strength, is characterized.

GA topology optimization using random keys for tree encoding of structures

Topology optimization consists in finding the spatial distribution of a given total volume of material for the resulting structure to have some optimal property, for instance, maximization of structural stiffness or maximization of the fundamental eigenfrequency. In this paper a Genetic Algorithm (GA) employing a representation method based on trees is developed to generate initial feasible individuals that remain feasible upon crossover and mutation and as such do not require any repairing operator to ensure feasibility. Several application examples are studied involving the topology optimization of structures where the objective functions is the maximization of the stiffness and the maximization of the first and the second eigenfrequencies of a plate, all cases having a prescribed material volume constraint.

Projecto de um regulador linear de tensão: LDO

Os reguladores de tensão LDO são utilizados intensivamente na actual indústria de electrónica, são uma parte essencial de um bloco de gestão de potência para um SoC. O aumento de produtos portáteis alimentados por baterias levou ao crescimento de soluções totalmente integradas, o que degrada o rendimento dos blocos analógicos que o constituem face às perturbações introduzidas na alimentação. Desta forma, surge a necessidade de procurar soluções cada vez mais optimizadas, impondo assim novas soluções, e/ou melhoramentos dos circuitos de gestão de potência, tendo como objectivo final o aumento do desempenho e da autonomia dos dispositivos electrónicos. Normalmente este tipo de reguladores tem a corrente de saída limitada, devido a problemas de estabilidade associados. Numa tentativa de evitar a instabilidade para as correntes de carga definidas e aumentar o PSRR do mesmo, é apresentado um método de implementação que tem como objectivo melhorar estas características, em que se pretende aumentar o rendimento e melhorar a resposta à variação da carga. No entanto, a técnica apresentada utiliza polarização adaptativa do estágio de potência, o que implica um aumento da corrente de consumo. O regulador LDO foi implementado na tecnologia CMOS UMC 0.18μm e ocupa uma área inferior a 0,2mm2. Os resultados da simulação mostram que o mesmo suporta uma transição de corrente 10μA para 100mA, com uma queda de tensão entre a tensão de alimentação e a tensão de saída inferior a 200mV. A estabilidade é assegurada para todas as correntes de carga. O tempo de estabelecimento é inferior a 6μs e as variações da tensão de saída relativamente a seu valor nominal são inferiores a 5mV. A corrente de consumo varia entre os 140μA até 200μA, o que permite atingir as especificações proposta para um PSRR de 40dB@10kHz.

Angular and linear accelerations of a rolling cylinder acted by an external force

The dynamics of a cylinder rolling on a horizontal plane acted on by an external force applied at an arbitrary angle is studied with emphasis on the directions of the acceleration of the centre-of-mass and the angular acceleration of the body. If rolling occurs without slipping, there is a relationship between the directions of these accelerations. If the linear acceleration points to the right, then the angular acceleration is clockwise. On the other hand, if it points to the left, then the angular acceleration is counterclockwise. In contrast, if rolling and slipping occurs, the direction of the linear acceleration does not determine the direction of the angular acceleration. For example, the linear acceleration may point to the right and the angular acceleration clockwise or counterclockwise depending on the external force orientation and point of application.

Análise da estrutura de um edifício em betão armado usando um método dos elementos finitos: aplicação do método dos elementos finitos a problemas tridimensionais de elasticidade linear usando o freeFEM++

Pretende-se, utilizando o Modelo da Elasticidade Linear em freeFEM++, determinar os esforços e deslocamentos de um edifício alto submetido apenas à acção do peso próprio da estrutura e, efectuar estudos comparativos dos resultados obtidos com o SAP2000. O trabalho inicia-se com a introdução da teoria da elasticidade linear, onde são feitas as deduções das Equações de Compatibilidade, Equilíbrio e as Leis Constitutivas, de modo a resolver numericamente o problema de Elasticidade Linear mencionado. O método de elementos finitos será implementado em freeFEM++ com auxílio do GMSH que é uma poderosa ferramenta com capacidade de gerar automaticamente malhas tridimensionais de elementos finitos e com relativa facilidade de pré e pós-processamento.

A generalized notion of compliance

It is a known fact in structural optimization that for structures subject to prescribed non-zero displacements the work done by the loads is not agood measure of compliance, neither is the stored elastic energy. We briefly discuss a possible alternative measure of compliance, valid for general boundary conditions. We also present the adjoint states (necessary for the computation of the structural derivative) for the three functionals under consideration. (C) 2011 Academie des sciences. Published by Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

A risk-averse optimization model for trading wind energy in a market environment under uncertainty

In this paper, a stochastic programming approach is proposed for trading wind energy in a market environment under uncertainty. Uncertainty in the energy market prices is the main cause of high volatility of profits achieved by power producers. The volatile and intermittent nature of wind energy represents another source of uncertainty. Hence, each uncertain parameter is modeled by scenarios, where each scenario represents a plausible realization of the uncertain parameters with an associated occurrence probability. Also, an appropriate risk measurement is considered. The proposed approach is applied on a realistic case study, based on a wind farm in Portugal. Finally, conclusions are duly drawn. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Development of a biosensor for urea assay based on amidase inhibition, using an ion-selective electrode

A biosensor for urea has been developed based on the observation that urea is a powerful active-site inhibitor of amidase, which catalyzes the hydrolysis of amides such as acetamide to produce ammonia and the corresponding organic acid. Cell-free extract from Pseudomonas aeruginosa was the source of amidase (acylamide hydrolase, EC 3.5.1.4) which was immobilized on a polyethersulfone membrane in the presence of glutaraldehyde; anion-selective electrode for ammonium ions was used for biosensor development. Analysis of variance was used for optimization of the biosensorresponse and showed that 30 mu L of cell-free extract containing 7.47 mg protein mL(-1), 2 mu L of glutaraldehyde (5%, v/v) and 10 mu L of gelatin (15%, w/v) exhibited the highest response. Optimization of other parameters showed that pH 7.2 and 30 min incubation time were optimum for incubation ofmembranes in urea. The biosensor exhibited a linear response in the range of 4.0-10.0 mu M urea, a detection limit of 2.0 mu M for urea, a response timeof 20 s, a sensitivity of 58.245 % per mu M urea and a storage stability of over 4 months. It was successfully used for quantification of urea in samples such as wine and milk; recovery experiments were carried out which revealed an average substrate recovery of 94.9%. The urea analogs hydroxyurea, methylurea and thiourea inhibited amidase activity by about 90%, 10% and 0%, respectively, compared with urea inhibition.

Modelação em regime elástico-linear de pavimentos rodoviários

Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento de um programa de elementos finitos tridimensionais denominado AE3D1.0, concebido especificamente para a análise de pavimentos rodoviários, partindo do pressuposto de que todos os materiais incorporados possuem comportamento elástico-linear. Por comparação dos resultados do programa AE3D1.0 com as soluções analíticas da teoria da elasticidade para o semi-espaço homogéneo e multiestratificado, confirma-se que é possível estabelecer uma analogia próxima entre ambas as abordagens. Tirando partindo das potencialidades do método dos elementos finitos, e da capacidade do programa de registar os resultados de cálculo em ficheiros digitais que possibilitam a posterior apreciação visual e tratamento dos dados obtidos, comparam-se pavimentos rígidos expostos a carregamentos de canto e de bordo, e é evidenciado o efeito prejudicial que a erosão da estrutura de apoio subjacente à laje de betão tem na longevidade e integridade estrutural do pavimento. São também aplicadas forças de frenagem a pavimentos rígidos em secções confinadas e não confinadas. Elege-se um modelo de pneu para veículos pesados representativo das características do eixo padrão de 130 kN, e analisa-se o efeito que a correspondente impressão ovalizada e distribuição de pressões verticais não uniforme tem na estrutura de um pavimento semi-rígido. Adapta-se e é aplicada uma malha de elementos finitos ao estudo da avaliação da capacidade de carga de pavimentos através de ensaios com o defletómetro de impacto.

Unified min-max and interlacing theorems for linear operators

There exist striking analogies in the behaviour of eigenvalues of Hermitian compact operators, singular values of compact operators and invariant factors of homomorphisms of modules over principal ideal domains, namely diagonalization theorems, interlacing inequalities and Courant-Fischer type formulae. Carlson and Sa [D. Carlson and E.M. Sa, Generalized minimax and interlacing inequalities, Linear Multilinear Algebra 15 (1984) pp. 77-103.] introduced an abstract structure, the s-space, where they proved unified versions of these theorems in the finite-dimensional case. We show that this unification can be done using modular lattices with Goldie dimension, which have a natural structure of s-space in the finite-dimensional case, and extend the unification to the countable-dimensional case.