Aplicação de técnicas inteligentes com análise no domínio do tempo para reconhecimento de defeitos em motores de indução trifásicos

Os motores de indução trifásicos são os principais elementos de conversão de energia elétrica em mecânica motriz aplicados em vários setores produtivos. Identificar um defeito no motor em operação pode fornecer, antes que ele falhe, maior segurança no processo de tomada de decisão sobre a manutenção da máquina, redução de custos e aumento de disponibilidade. Nesta tese são apresentas inicialmente uma revisão bibliográfica e a metodologia geral para a reprodução dos defeitos nos motores e a aplicação da técnica de discretização dos sinais de correntes e tensões no domínio do tempo. É também desenvolvido um estudo comparativo entre métodos de classificação de padrões para a identificação de defeitos nestas máquinas, tais como: Naive Bayes, k-Nearest Neighbor, Support Vector Machine (Sequential Minimal Optimization), Rede Neural Artificial (Perceptron Multicamadas), Repeated Incremental Pruning to Produce Error Reduction e C4.5 Decision Tree. Também aplicou-se o conceito de Sistemas Multiagentes (SMA) para suportar a utilização de múltiplos métodos concorrentes de forma distribuída para reconhecimento de padrões de defeitos em rolamentos defeituosos, quebras nas barras da gaiola de esquilo do rotor e curto-circuito entre as bobinas do enrolamento do estator de motores de indução trifásicos. Complementarmente, algumas estratégias para a definição da severidade dos defeitos supracitados em motores foram exploradas, fazendo inclusive uma averiguação da influência do desequilíbrio de tensão na alimentação da máquina para a determinação destas anomalias. Os dados experimentais foram adquiridos por meio de uma bancada experimental em laboratório com motores de potência de 1 e 2 cv acionados diretamente na rede elétrica, operando em várias condições de desequilíbrio das tensões e variações da carga mecânica aplicada ao eixo do motor.

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.

Controle cooperativo aplicado a sistemas de posicionamento dinâmico.

Hoje em dia com o crescente aumento da exploração de petróleo e gás em águas profundas, há um aumento na demanda por operações offshore envolvendo a cooperação entre unidades flutuantes. Tais operações requerem um alto nível de planejamento e coordenação, o que na maioria dos casos é feito com a troca de informação no nível de operação, com cada unidade flutuante comandada independentemente. Exemplos de operações deste tipo vão desde operações de alívio passando por operações de instalação de equipamento submarino, até operações de pesquisa envolvendo múltiplas unidades flutuantes dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (DP). As vantagens do controle cooperativo surgem com a redução do erro da distância relativa durante a manutenção do posicionamento ou durante a execução de manobras de posicionamento conjuntas. No presente trabalho, os conceitos de controle de consenso são aplicados de forma combinada com o sistema DP de cada navio. A influência dos ganhos do controlador cooperativo no sistema como um todo será discutida, utilizando-se técnicas de análise da resposta em frequência. Simulações completas no domínio do tempo e experimentos usando modelos em escala serão utilizados para se demonstrar o funcionamento do controle cooperativo. Todas as simulações serão conduzidas no simulador Dynasim e os ensaios experimentais no tanque de provas da Engenharia Naval da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Além disso, serão feitas comparações entre os experimentos em tanque de provas e simulações numéricas equivalentes, demonstrando-se a validade dos ensaios numéricos. Será também demonstrado que os requisitos de projetos adotados são atendidos pelos ensaios em tanque de provas. .

Ultrasonic and X-ray computed tomography characterization of progressive fracture damage in low-porous carbonate rocks

This paper studies the fracturing process in low-porous rocks during uniaxial compressive tests considering the original defects and the new mechanical cracks in the material. For this purpose, five different kinds of rocks have been chosen with carbonate mineralogy and low porosity (lower than 2%). The characterization of the fracture damage is carried out using three different techniques: ultrasounds, mercury porosimetry and X-ray computed tomography. The proposed methodology allows quantifying the evolution of the porous system as well as studying the location of new cracks in the rock samples. Intercrystalline porosity (the smallest pores with pore radius < 1 μm) shows a limited development during loading, disappearing rapidly from the porosimetry curves and it is directly related to the initial plastic behaviour in the stress–strain patterns. However, the biggest pores (corresponding to the cracks) suffer a continuous enlargement until the unstable propagation of fractures. The measured crack initiation stress varies between 0.25 σp and 0.50 σp for marbles and between 0.50 σp and 0.85 σp for micrite limestone. The unstable propagation of cracks is assumed to occur very close to the peak strength. Crack propagation through the sample is completely independent of pre-existing defects (porous bands, stylolites, fractures and veins). The ultrasonic response in the time-domain is less sensitive to the fracture damage than the frequency-domain. P-wave velocity increases during loading test until the beginning of the unstable crack propagation. This increase is higher for marbles (between 15% and 30% from initial vp values) and lower for micrite limestones (between 5% and 10%). When the mechanical cracks propagate unstably, the velocity stops to increase and decreases only when rock damage is very high. Frequency analysis of the ultrasonic signals shows clear changes during the loading process. The spectrum of treated waveforms shows two main frequency peaks centred at low (~ 20 kHz) and high (~ 35 kHz) values. When new fractures appear and grow the amplitude of the high-frequency peak decreases, while that of the low-frequency peak increases. Besides, a slight frequency shift is observed towards higher frequencies.

Stress Inversion Using LiDAR Tunnel Deformation Measurements

Far-field stresses are those present in a volume of rock prior to excavations being created. Estimates of the orientation and magnitude of far-field stresses, often used in mine design, are generally obtained by single-point measurements of stress, or large-scale, regional trends. Point measurements can be a poor representation of far-field stresses as a result of excavation-induced stresses and geological structures. For these reasons, far-field stress estimates can be associated with high levels of uncertainty. The purpose of this thesis is to investigate the practical feasibility, applications, and limitations of calibrating far-field stress estimates through tunnel deformation measurements captured using LiDAR imaging. A method that estimates the orientation and magnitude of excavation-induced principal stress changes through back-analysis of deformation measurements from LiDAR imaged tunnels was developed and tested using synthetic data. If excavation-induced stress change orientations and magnitudes can be accurately estimated, they can be used in the calibration of far-field stress input to numerical models. LiDAR point clouds have been proven to have a number of underground applications, thus it is desired to explore their use in numerical model calibration. The back-analysis method is founded on the superposition of stresses and requires a two-dimensional numerical model of the deforming tunnel. Principal stress changes of known orientation and magnitude are applied to the model to create calibration curves. Estimation can then be performed by minimizing squared differences between the measured tunnel and sets of calibration curve deformations. In addition to the back-analysis estimation method, a procedure consisting of previously existing techniques to measure tunnel deformation using LiDAR imaging was documented. Under ideal conditions, the back-analysis method estimated principal stress change orientations within ±5° and magnitudes within ±2 MPa. Results were comparable for four different tunnel profile shapes. Preliminary testing using plastic deformation, a rough tunnel profile, and profile occlusions suggests that the method can work under more realistic conditions. The results from this thesis set the groundwork for the continued development of a new, inexpensive, and efficient far-field stress estimate calibration method.

Mineralogy of ODP Hole 117-722B (Appendix)

Bulk mineralogy of the terrigenous fraction of 99 samples from ODP Site 722 on the Owen Ridge, western Arabian Sea, has been determined by x-ray diffraction, using an internal standard method. The sampling interval, approximately 4.3 k.y., provides a detailed mineralogic record for the past 500 k.y. Previous studies have identified important modern continental sediment sources and the mineral assemblages presently derived from each. These studies have also demonstrated that most of this material is supplied by southwest and northwest winds during the summer monsoon. A variety of marine and terrestrial records and general circulation model (GCM) simulations have indicated the importance of monsoonal circulation during the Pleistocene and Holocene and have demonstrated increased aridity during glacial times and increased humidity during inter glacials. The mineralogic data generated here were used to investigate variations in source area weathering conditions during these environmental changes. Terrigenous minerals present include smectite, illite, palygorskite, kaolinite, chlorite, quartz, plagioclase feldspar, and dolomite. This mineralogy is consistent with the compositions of source areas presently supplying sediment to the Arabian Sea. An R-mode factor analysis has identified four mineral assemblages present throughout the past 500 k.y.: quartz/chlorite/dolomite (Factor 1), kaolinite/plagioclase/illite (Factor 2), smectite (Factor 3), and palygorskite/dolomite (Factor 4). Chlorite, illite, and palygorskite are extremely susceptible to chemical weathering, and a spectral comparison of these factors with the eolian mass accumulation rate (MAR) record from Hole 722B (an index of dust source area aridity) indicates that Factors 1, 2, and 4 are directly related to changes in aridity. Because of these characteristics, Factors 1,2, and 4 are interpreted to originate from arid source regions. Factor 3 is interpreted to record more humid source conditions. Time-series of scores for the four factors are dominated by short-term (10-100 k.y.) variability, and do not correlate well to glacial/interglacial fluctuations in the time domain. These characteristics suggest that local climatic shifts were complex, and that equilibrium weathering assemblages did not develop immediately after climatic change. Spectral analysis of factor scores identifies peaks at or near the primary Milankovitch frequencies for all factors. Factor 1 (quartz/chlorite/dolomite), Factor 2 (kaolinite/plagioclase/illite), and Factor 4 (illite/palygorskite) are coherent and in phase with the MAR record over the 23, 41, and 100 k.y. bands, respectively. The reasons for coherency at single Milankovitch frequencies are not known, but may include differences in the susceptibilities of minerals to varying time scales of weathering and/or preferential development of suitable continental source environments by climatic changes at the various Milankovitch frequencies.