Análisis Dinámico de mecanismos paralelos con requisitos de diseño mecatrónico

[ES]El objetivo del presente TFG es el Análisis Dinámico de mecanismos paralelos según las necesidades de la mecatrónica. La mecatrónica requiere expresiones explícitas de las fuerzas motoras que sólo dependen de las propias posiciones, velocidades y aceleraciones en los accionamientos. Ello requiere métodos avanzados de la mecánica analítica de sólido rígido. Concretamente se han desarrollado la ecuación de Lagrange modificada (según [11]) y la ecuación de Boltzmann-Hamel modificada, siendo esta última una aportación de este TFG. Como aplicación práctica se ha programado un modelo mecatrónico para un manipulador paralelo 5R y se ha optimizado el diseño de una Multi Axis Simulation Table 3PRS.

Uncovering the Lagrangian from observations of trajectories

We approach the problem of automatically modeling a mechanical system from data about its dynamics, using a method motivated by variational integrators. We write the discrete Lagrangian as a quadratic polynomial with varying coefficients, and then use the discrete Euler-Lagrange equations to numerically solve for the values of these coefficients near the data points. This method correctly modeled the Lagrangian of a simple harmonic oscillator and a simple pendulum, even with significant measurement noise added to the trajectories.

Tendência temporal do índice de massa corporal em alistados do Brasil (1980-2005)

Apesar da crescente prevalência da obesidade em países desenvolvidos e em desenvolvimento, há pouca evidência da associação com fatores ambientais. Objetivos: Investigar a evolução temporal do IMC em jovens alistados do sexo masculino de 18 anos no Brasil entre 1980 e 2005; identificar pontos específicos de maior variância na série temporal e comparar pontos específicos no tempo, a evolução temporal do IMC com as mudanças socioeconômicas no Brasil. Métodos: O presente estudo explorou uma série temporal de 26 anos em homens brasileiros que se alistaram no período de 1980 a 2005. A amostra compreendeu cerca de 35-40% de todos os jovens brasileiros de 18 anos de idade. O peso corporal e a estatura foram obtidos no momento do exame médico durante o alistamento militar. Todas as mensurações antropométricas foram realizadas por pessoal especializado e treinado. As prevalências do sobrepeso e da obesidade foram calculadas com intervalos de confiança de 95%. Com a finalidade de testar a presença de heterocedasticidade na série do IMC, realizou-se o teste de Multiplicador de Lagrange (LM). Para os pontos no tempo, com oscilações acima da média do IMC, variáveis dummies foram testadas utilizando-se o modelo ARCH (Autoregressivo de Heterocedasticidade Condicionada), com um nível de significância de p <0,05. Para aqueles pontos no tempo com oscilações acima da média do IMC (anos de 1985, 1994 e 2000), variáveis dummy foram incluídos sob a hipótese foi de que a taxa de crescimento do IMC não fosse a mesma ao longo da série temporal. Para as possíveis explicações para os aumentos bruscos na curva do IMC, foram consideradas as alterações nos principais indicadores econômicos do Brasil (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística e Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada). Os fatores econômicos analisados foram: taxa de inflação anual, produção de alimentos, pobreza (%), o consumo de refrigerantes e o rendimento médio anual. Resultados: A prevalência de sobrepeso também passou de 4,5%, em 1980, para 12,5%, em 2005, um aumento de 2,6 vezes, enquanto a prevalência de obesidade aumentou de 0,5%, em 1980, para 1,9%, em 2005, um aumento de quase 300%, mas por comparação internacional estão abaixo da média. Particularmente em 1985-6 e 1994-5, houve um aumento acentuado e significativo do IMC. Em 1985-6, a média do IMC aumentou de 21,4 kg/m2 para 21,5 kg/m2 e, em 1994-5, a média do IMC médio aumentou de 21,7 kg/m2 para 21,9 kg/m2. Nesses dois pontos (1985-1986 e 1994-1995) ocorreram logo após duas grandes mudanças políticas econômicas que aumentaram o poder de compra da população. Em 1985-6, as mudanças foram principalmente relacionadas a fatores econômicos, tais como: a redução do nível de desigualdade social; aumento da renda familiar; redução da pobreza; o controle da inflação; aumento do tempo assistindo televisão e aumento do consumo de alimentos. Em 1994-5, além das mudanças no poder de compra, houve uma modificação na atividade física obrigatória nas escolas. Conclusão: O presente estudo mostrou um aumento abrupto da obesidade na população de homens jovens no Brasil em duas ocasiões durante esta série temporal (anos de 1985-6 e 1994-5), quando uma possível redução no gasto calórico e aumento do consumo de alimentos da população foram observados.

Modelagem numérica de elementos tracionados em aço inoxidável com parafusos defasados

Atualmente, a utilização do aço inoxidável em elementos estruturais é considerada uma solução cara para os problemas da engenharia estrutural. Todavia, mudanças de atitudes dentro da construção civil, uma transição global para um desenvolvimento sustentável e redução em impactos ambientais têm seguramente provocado um aumento na utilização do aço inoxidável. As normas de projeto de aço inoxidável atuais são, em grande parte, baseadas em analogias assumidas com o comportamento de estruturas desenvolvidas com aço carbono. Todavia, o aço inoxidável apresenta quatro curvas não-lineares tensão versus deformação (tensão e compressão, paralela e perpendicular a laminação do material), sem patamar de escoamento e região de encruamento claramente definidos, modificando assim, o comportamento global das estruturas que o utilizam. Em elementos estruturais submetidos a forças axiais de tração, a ruptura da seção líquida representa um dos estados limites últimos a serem verificados. Com o objetivo de se avaliar a resistência a tração de elementos estruturais aparafusados em aço inoxidável S304, este trabalho apresenta um modelo numérico baseado no método dos elementos finitos através do programa Ansys (versão 11). A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de Von Mises e curvas tensão versus deformação verdadeira. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange atualizado. O modelo numérico foi calibrado com resultados experimentais obtidos em ensaios de laboratório, a partir de ligações aparafusadas alternadas rígidas, onde não se ocorre nenhuma rotação entre os membros, transferindo nenhum momento fletor, apenas esforço normal e cisalhante.

Avaliação de ligações K e T entre perfis estruturais tubulares circulares.

O difundido uso de perfis estruturais tubulares, principalmente devido às vantagens associadas ao comportamento estrutural e estético, levou a uma intensa utilização nos países da Europa, Sudeste Asiático, América do Norte e na Austrália. Países como Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda fazem uso intensivo dessas estruturas e contam com uma produção corrente, industrializada e contínua com alto grau de desenvolvimento tecnológico. O aumento da oferta deste tipo de perfis, aliado a recentes pesquisas nesta área, leva o Brasil a se inserir neste cenário mundial. Entretanto, as normas brasileiras que regem o dimensionamento destes perfis ainda não se encontram atualizadas, principalmente no que tange ao dimensionamento de ligações de perfis tubulares. Considerando esta perspectiva, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo K e T com perfis tubulares circulares (CHS). Propõe-se estabelecer um quadro comparativo entre as formulações analíticas de dimensionamento proposta pelo Eurocode 3 Parte 1.8, 2 edição do guia de projeto de ligações tubulares do CIDECT, projeto de norma brasileira PN 02.125.03-004 e critérios de deformação limite. Para cada um dos tipos de ligações analisadas, desenvolveu-se um modelo em elementos finitos no programa Ansys, calibrado e validado com resultados experimentais e numéricos existentes na literatura. As não-linearidades física e geométrica foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente da ligação. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de Von Mises através de uma lei constitutiva tensão versus deformação bilinear. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado considerando-se a previsão de grandes deformações de forma a permitir a redistribuição de carregamento na ligação após o escoamento inicial. Esta dissertação propõe ainda, a modelagem de uma treliça planar constituída de perfis tubulares, objetivando estabelecer uma comparação entre um nó isolado e um nó da treliça planar.

Avaliação de ligações soldadas de perfis tubulares em estruturas de aço através do método dos elementos finitos.

A necessidade de se obter soluções para os diversos problemas estruturais na engenharia, associado ao amplo crescimento e difusão da construção metálica fez surgir, por volta dos anos 60, os perfis tubulares. As ligações soldadas entre perfis tubulares são as ligações de maior difusão nas construções com este tipo de perfil, sendo necessário portanto, estudos mais detalhados que tornem a utilização de ligações soldadas mais seguras e otimizadas. O Eurocode 3 possui um item específico para as ligações entre perfis tubulares, em especial as ligações soldadas devido a suas particularidades. Infelizmente, a norma brasileira NBR8800 não aborda as ligações envolvendo perfis tubulares. Para a execução da análise numérica no presente trabalho, faz-se necessário uma revisão bibliográfica. Com estes resultados, foram feitas modelagens de ligações tubulares com o método dos elementos finitos de forma a otimizar os modelos a serem utilizados em uma análise paramétrica futura. Desta forma, foram desenvolvidos dois modelos numéricos, um considerando ligação tipo T entre perfis tubulares quadrados e outro para uma ligação tipo K entre perfis circulares. Estes modelos foram caracterizados através de elementos de casca com seis graus de liberdade por nó considerando-se adicionalmente o efeito de membrana. A análise não-linear realizada considerou a não-linearidade do material através do critério de plastificação de Von Mises através de uma lei constitutiva tensão versus deformação bi-linear e a não-linearidade geométrica foi atribuída através da formulação de Lagrange atualizado. Dentre as principais conclusões obtidas no presente trabalho, pode-se citar que os resultados para as ligações tipo T, o Eurocode 3, fornece resultados que precisam ser observados com cautela. Todavia, para as ligações do tipo K, os resultados numéricos mostraram-se sempre inferiores aos valores através do Eurocode 3, representando um dimensionamento a favor da segurança.

O que há de metafísica na mecânica do século XVIII?

Ao contrário do período precedente de criação da chamada ciência moderna, o século XVIII parece não desempenhar um papel fundamental no desenvolvimento da física. Na visão de muitos autores, o século das luzes é considerado como uma fase de organização da mecânica que teve seu coroamento com as obras de Lagrange, imediatamente precedidas por Euler e dAlembert. Muitos autores afirmam que na formulação da mecânica racional houve uma eliminação gradual da metafísica e também da teologia e que o surgimento da física moderna veio acompanhado por uma rejeição da metafísica aristotélica da substância e qualidade, forma e matéria, potência e ato. O ponto central da tese é mostrar que, no século XVIII, houve uma preocupação e um grande esforço de alguns filósofos naturais que participaram da formação da mecânica, em determinar como seria possível descrever fenômenos através da matemática. De uma forma geral, a filosofia mecanicista exigia que as mudanças observadas no mundo natural fossem explicadas apenas em termos de movimento e de rearranjos das partículas da matéria, uma vez que os predecessores dos filósofos iluministas conseguiram, em parte, eliminar da filosofia natural o conceito de causas finais e a maior parte dos conceitos aristotélicos de forma e substância, por exemplo. Porém, os filósofos mecanicistas divergiam sobre as causas do movimento. O que faria um corpo se mover? Uma força externa? Uma força interna? Força nenhuma? Todas essas posições tinham seus adeptos e todas sugeriam reflexões filosóficas que ultrapassavam os limites das ciências da natureza. Mais ainda: conceitos como espaço, tempo, força, massa e inércia, por exemplo, são conceitos imprescindíveis da mecânica que representam uma realidade. Mas como a manifestação dessa realidade se torna possível? Como foram definidos esses conceitos? Embora não percebamos explicitamente uma discussão filosófica em muitos livros que versam sobre a mecânica, atitudes implícitas dessa natureza são evidentes no tratamento das questões tais como a ambição à universalidade e a aplicação da matemática. Galileu teve suas motivações e suas razões para afirmar que o livro da natureza está escrito em liguagem matemática. No entanto, embora a matemática tenha se tornado a linguagem da física, mostramos com esta tese que a segunda não se reduz à primeira. Podemos, à luz desta pesquisa, falarmos de uma mecânica racional no sentido de ser ela proposta pela razão para organizar e melhor estruturar dados observáveis obtidos através da experimentação. Porém, mostramos que essa ciência não foi, como os filósofos naturais pretendiam que assim fosse, obtidas sem hipóteses e convenções subjetivas. Por detrás de uma representação explicativa e descritiva dos fenômenos da natureza e de uma consistência interna de seus próprios conteúdos confirmados através da matemática, verificamos a presença da metafísica.

Avaliação de ligações KK entre perfis tubulares em aço.

Em virtude do elevado grau de desenvolvimento da tecnologia em sua produção, a utilização de perfis tubulares é grandemente difundida em países como, por exemplo, Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda. A utilização de tais perfis no Brasil era bastante restrita, limitando-se a coberturas espaciais. Atualmente, a situação do mercado brasileiro começa a se alterar em decorrência do significativo aumento da oferta de perfis tubulares estruturais. Este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo KK com perfis tubulares circulares (CHS), com o intuito de estabelecer um quadro comparativo entre as formulações analíticas de dimensionamento proposta pelo Eurocode 3 Parte 1.8, 2 edição do guia de projeto de ligações tubulares do CIDECT, ABNT NBR 16239:2013, pelas equações propostas por Paul e Kurobane e critérios de deformação limite. A calibração de um modelo foi feita com dados numéricos e experimentais. Para cada um dos tipos de ligações analisadas, desenvolveu-se um modelo em elementos finitos no programa Ansys. As não-linearidades física e geométrica foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente da ligação. A não-linearidade do material foi considerada com o uso do critério de plastificação de Von Mises através de uma lei constitutiva tensão versus deformação bilinear. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado considerando-se a previsão de grandes deformações de forma a permitir a redistribuição de carregamento na ligação após o escoamento inicial. Foi proposto um modelo de uma treliça espacial composta por perfis tubulares de seção circular para comparar os resultados de análises de uma ligação isolada e a resposta desta mesma ligação como parte de uma treliça em escala real.

Avaliação de ligações entre vigas de perfil I ou H e colunas em perfis tubulares circulares.

Considerando uma nova realidade com o incremento do uso de perfis tubulares, este trabalho apresenta uma análise de ligações soldadas tipo T com perfis tubulares circulares (CHS) para a coluna e perfil I ou H para a viga com flexão no plano, efetuado com base nas normas EC3, CIDECT e a NBR 16239 comparando com o critério de deformação limite, proposto por Lu et al., através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys versão 12.0. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado. Com base nos resultados numéricos avaliados foram traçadas curvas momento-rotação para cada modelo com o objetivo de obter o momento resistente de cada ligação bem como a classificação da ligação quanto a capacidade de rotação, a influência dos parâmetros geométricos em cada modelo e o modo de falha que controlará o dimensionamento da ligação.

Avaliação de ligações entre perfis tubulares em aço submetidas a esforços de flexão.

Os perfis tubulares sem costura são largamente utilizados em diversos países, porém, no Brasil, o uso desses perfis na construção civil era bastante limitado, restringindo-se praticamente a coberturas espaciais. Considerando uma nova realidade para o uso de perfis tubulares, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo T com perfis tubulares quadrados (SHS) para o banzo e para o montante efetuada com base na norma europeia, Eurocode 3, no CIDECT, na NBR 16239:2013 e ISO 14346 através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Verificou-se a influência do momento atuante no montante no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta ligação. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises através da lei constitutiva tensão versus deformação trilinear de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A nãolinearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado. Os resultados numéricos são avaliados para a ligação em estudo quanto aos modos de falha e a distribuição de tensões. A análise dos momentos resistentes obtidos em comparação com os resultados do modelo numérico, apresentou valores excessivamente a favor da segurança no cálculo utilizando as equações de dimensionamento. Um estudo para fatores de correção das equações de dimensionamento é proposto.

Comportamento estrutural de vigas casteladas em aço inoxidável.

As vigas casteladas já são utilizadas em diversos tipos de estruturas para se vencer grandes vãos. Há uma nova realidade para o uso de perfis castelados, agora em aço inoxidável. Este trabalho apresenta uma análise comparativa entre vigas casteladas e vigas de alma cheia em perfis IPE, baseadas na norma europeia, no método da resistência contínua; e, também, através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Este trabalho tem como objetivo verificar o comportamento e a resistência à flexão das vigas casteladas em aço inoxidável. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta estrutura. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises e da lei constitutiva tensão versus deformação multi-linear, de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi considerada a partir de uma formulação de Lagrange atualizado. Os resultados numéricos das vigas em estudo foram avaliados quanto aos modos de falha e da distribuição de tensões. Os momentos resistentes analíticos foram comparados com os resultados do modelo numérico apresentando valores satisfatórios e a favor da segurança.

Avaliação de ligações tubulares tipo T entre CHS com reforço tipo chapa.

Os perfis tubulares sem costura são utilizados em diversos países, principalmente devido às vantagens associadas à estética a sua elevada resistência à torção, cargas axiais e efeitos combinados. Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda utilizam de forma veemente estas estruturas e possuem produção contínua e industrializada com alto nível de desenvolvimento tecnológico. O Brasil, porém, se limitava praticamente ao uso destes perfis nas coberturas espaciais. Devido ao aumento da utilização desses tipos de estruturas, fez-se necessário o aprofundamento dos estudos com métodos de análise coerentes para utilização de perfis tubulares, principalmente em relação às ligações, pois são consideradas regiões vulneráveis neste tipo de estrutura. Para atender a necessidade de normatização deste procedimento desenvolveu-se uma norma brasileira específica para o dimensionamento de estruturas em perfis tubulares. Considerando esta perspectiva, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo T com reforço tipo chapa com perfis tubulares circulares (CHS) para o banzo e para o montante efetuada com base na norma europeia, Eurocode 3, no CIDECT, na NBR 16239:2013 e ISO 14346. Desenvolveu-se no programa Ansys um modelo de elementos finitos para cada tipo de ligação analisada, calibrado e validado com resultados experimentais e numéricos existentes na literatura. Verificou-se a influência da compressão atuante no montante no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta ligação. A nãolinearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises através da lei constitutiva tensão versus deformação bilinear de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizada. A análise dos esforços resistentes obtidos em comparação com os resultados do modelo numérico, apresentaram valores a favor da segurança no cálculo utilizando as equações de dimensionamento. Por fim um estudo para fatores de correção das equações de dimensionamento foi também proposto.

Modelling of equipment loaded panels for robust control investigations

This paper develops a modelling technique for equipment load panels which directly produces (adequate) models of the underlying dynamics on which to base robust controller design/evaluations. This technique is based on the use of the Lagrange's equations of motion and the resulting models are verified against those produced by a finite Element Method Model.

An ARGONAUTE4-containing nuclear processing center colocalized with Cajal bodies in Arabidopsis thaliana.

ARGONAUTE4 (AGO4) and RNA polymerase IV (Pol IV) are required for DNA methylation guided by 24 nucleotide small interfering RNAs (siRNAs) in Arabidopsis thaliana. Here we show that AGO4 localizes to nucleolus-associated bodies along with the Pol IV subunit NRPD1b; the small nuclear RNA (snRNA) binding protein SmD3; and two markers of Cajal bodies, trimethylguanosine-capped snRNAs and the U2 snRNA binding protein U2B''. AGO4 interacts with the C-terminal domain of NRPD1b, and AGO4 protein stability depends on upstream factors that synthesize siRNAs. AGO4 is also found, along with the DNA methyltransferase DRM2, throughout the nucleus at presumed DNA methylation target sites. Cajal bodies are conserved sites for the maturation of ribonucleoprotein complexes. Our results suggest a function for Cajal bodies as a center for the assembly of an AGO4/NRPD1b/siRNA complex, facilitating its function in RNA-directed gene silencing at target loci.

Dynamic regulation of ARGONAUTE4 within multiple nuclear bodies in Arabidopsis thaliana.

DNA methylation directed by 24-nucleotide small RNAs involves the small RNA-binding protein ARGONAUTE4 (AGO4), and it was previously shown that AGO4 localizes to nucleolus-adjacent Cajal bodies, sites of snRNP complex maturation. Here we demonstrate that AGO4 also localizes to a second class of nuclear bodies, called AB-bodies, which are found immediately adjacent to condensed 45S ribosomal DNA (rDNA) sequences. AB-bodies also contain other proteins involved in RNA-directed DNA methylation including NRPD1b (a subunit of the RNA Polymerase IV complex, RNA PolIV), NRPD2 (a second subunit of this complex), and the DNA methyltransferase DRM2. These two classes of AGO4 bodies are structurally independent--disruption of one class does not affect the other--suggesting a dynamic regulation of AGO4 within two distinct nuclear compartments in Arabidopsis. Abolishing Cajal body formation in a coilin mutant reduced overall AGO4 protein levels, and coilin dicer-like3 double mutants showed a small decrease in DNA methylation beyond that seen in dicer-like3 single mutants, suggesting that Cajal bodies are required for a fully functioning DNA methylation system in Arabidopsis.