Kokeellisen moodianalyysin hyödyntäminen sääriluun lujuuden määrittämisessä

Diplomityö tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston konetekniikan laitokselle. Diplomityö on osa teknillisen yliopiston biomekaanista tutkimusta, jonka tarkoituksena on mallintaa ihmisen tuki- ja liikuntaelimistön toimintaa. Työssä pyrittiin selvittämään, voitaisiinko sääriluuhun kohdistetun mekaanisen herätteen aiheuttamaa värähtelyvastetta analysoimalla saada tietoa luun ominaistaajuuksista ja lujuudesta. Tietoa voitaisiin käyttää esimerkiksi ostoporoosiriskin arvioinnissa sekä ihmiskehon osien toimintaa kuvaavien simulointimallien verifioinnissa. Mittauslaitteistona käytettiin Brüel & Kjær-moodianalyysilaitteistoa. Laitteistokokonaisuuteen kuuluivat herätevasara, elektromagneettinen täristin, voima-anturi, kaksi kiihtyvyysmitta-anturia sekä PulseLab 2.0 –ohjelmistolla varustettu PC-laitteisto. Tulosten jatkoanalyysi suoritettiin MathWorks yhtiön MatLab v 4.0 -ohjelmistolla. Työssä esitellyn mittaustavan ja -laitteiston todettiin soveltuvan sääriluun värähtelyvasteen mittaamiseen. Mittaustulokset eri mittauskertojen välillä samalla henkilöllä ovat yhtenevät. Tutkimuksen tulosten perusteella ei voida osoittaa luun värähtelyvasteen ja lujuuden välistä suoraa korrelaatiota.

Control methods for arc welding power supplies

Welding is one of the most important process of modern industry. Welding technology is used in the manufacture and repair a wide variety of products from different metals and alloys. In this thesis the different aspects of arc welding were discussed, such as stability and control of welding arc, power supplies for arc welding (especially the welding inverters because it is the most modern welding power source). All parameters of power source have influence on the arc parameters and its by-turn influence on quality. The ways of control for arc welding inverter power sources have been considered. Calculations and modeling in Matlab/Simulink were done for PI control method. All parameters of power source have influence on the arc parameters and its by-turn influence on quality.

Metallien kompleksinmuodostus liuosfaasissa

Liuoksessa metallit muodostavat erilaisia koordinatioyhdisteitä epäorgaanisten ja orgaanisten anionien ja neutraalien molekyylien kanssa. Erityisesti siirtymämetalleilla on voimakas taipumus kompleksiyhdisteiden muodostamiseen elektroneja sisältävien 3-, 4-, ja 5d orbitaaliensa johdosta. Samassa liuoksessa voi samanaikaisesti esiintyä useita erilaisia, mutta samoista lähtöaineista muodostuneita, kompleksiyhdisteitä. Kompleksinmuodostusreaktiot ovat tasapainoreaktioita. Usein tasapainovakiot on esitetty termodynaamisina tasapainovakioina eli ne ovat päteviä standarditilassa. Standarditilan tasapainovakioista voidaan johtaa missä tahansa liuoksessa pätevät vakiot erilaisten Debye-Hückel-teoriasta johdettujen laskentamenetelmien avulla. Metalli-ligandiparin jakautuminen erilaisiksi kompleksiyhdisteiksi voidaan mallintaa kun tunnetaan muodostumisreaktioiden tasapainovakiot. Muodostumisreaktioiden tasapainovakioiden yhtälöistä voidaan johtaa epälineaarinen yhtälöryhmä, joka voidaan ratkaista jollakin numeerisella ratkaisimella. Esimerkiksi Matlab-ohjelmiston sisältämä fsolve-ratkaisin soveltuu tällaiseen tehtävään. Osana tätä työtä on kirjoitettu Matlab-sovellus, jolla voidaan mallintaa kationi-ligandiparin jakautumista koordinaatioyhdisteiksi tunnettujen tasapainovakioiden perusteella.

Testiohjelmiston kehittäminen väsytyskokeiden suorittamiseksi mielivaltaisilla kuormituksilla

Väsytyskokeita on väsymisilmiön keksimisestä lähtien tehty pääasiallisesti vakioamplitudisella kuormituksella. Paremmin todellisuutta kuvaavaan testitilanteeseen päästään kuitenkin vain käyttämällä testattavan rakenteen reaalikuormitusta simuloivaa muuttuva-amplitudista kuormitusta. Tällaisen kuormituksen testaaminen käytännössä on kuitenkin huomattavasti vaikeampaa kuin perinteisen vakioamplitudisen kuormituksen, koska muuttuva-amplitudisen kuormituksen spektri on ensin kehitettävä jostain – joko käytännön mittausten kautta tai rakenteen käyttötilaa analysoimalla. Myöskään tiedossa olevan spektrin tuottaminen käytännön kokeissa ei ole aivan yksinkertaista. Tässä kandidaatintyössä pyrittiin ratkaisemaan näitä ongelmia suunnittelemalla ja toteuttamalla testiohjelmisto, joka pystyy sekä generoimaan että käytännössä toistamaan käyttäjän haluaman kuormitusspektrin laboratoriokokeissa. Jälkimmäistä varten oli olemassa ohjelma, jota haluttiin hyödyntää tässä työssä. Tehtävä jaettiin kolmeen osioon: kuormitusspektrien generoiminen, kuormitusspektrien yhdistäminen ja lopuksi spektrien toistaminen itse väsytyskokeessa. Kahdessa ensimmäisessä osiossa käytettiin ohjelmointiympäristönä Matlab-ohjelmaa; kolmannessa käytettiin pohjana olemassa olevaa väsytyskoeohjelmaa ja käytännön ohjelmointi suoritettiin näin ollen ANSI C –kielellä käyttäen kääntäjänä Microsoft Visual Studio 6.0:aa. Alkuperäinen väsytyskoeohjelma vaati useita merkittäviä muutoksia, ennen kuin se soveltui käytettäväksi tässä yhteydessä. Työssä on kuvattu periaatetasolla ohjelmien suunnittelu- ja toteuttamisvaiheet. Lisäksi työn on tarkoitus toimia yksinkertaisena käyttöohjeena ja opastuksena koko ohjelmiston käyttöön.

Comparison and Evaluation of Eddy Current Sensors

In the work eddy current sensors are described and evaluated. Theoretical part includes physical basics of the eddy currents, overview of available commercial products and technologies. Industrial sensors operation was assessed based on several working modes. Apart from this, the model was created in Matlab Simulink with Xilinx Blockset and then translated into a Xilinx ISE Design Suite compatible project. The performance of the resulting implementation was compared to the existing implementation in the Xilinx Spartan 3 FPGA board with the custom made sensor. Additionally, an introduction to FPGAs and VHDL is presented.

Epälineaaristen regressiomenetelmien vertaaminen robottikäden otemallinnuksessa

Tässä työssä verrattiin monikerrosperseptronin, radiaalikantafunktioverkon, tukivektoriregression ja relevanssivektoriregression soveltuvuutta robottikäden otemallinnukseen. Menetelmille ohjelmoitiin koeympäristö Matlabiin, jossa mallit koestettiin kolmiulotteisella kappaledatalla. Koejärjestely sisälsi kaksi vaihetta. Kokeiden ensimmäisessä vaiheessa menetelmille haettiin sopivat parametrit ja toisessa vaiheessa menetelmät koestettiin. Kokeilla kerättiin dataa menetelmien keskinäiseen vertailuun. Vertailussa huomioitiin laskentanopeus, koulutusaika ja tarkkuus. Tukivektoriregressio löydettiin potentiaaliseksi vaihtoehdoksi mallintamiseen. Tukivektoriregression koetuloksia analysoitiin muita menetelmiä enemmän hyvien koetulosten takia.

Modelagem matemática e simulação numérica do resfriamento rápido de morango com ar forçado

Este trabalho abordou o resfriamento rápido com ar forçado de morango via simulação numérica. Para tanto, foi empregado o modelo matemático que descreve o processo de transferência de calor, com base na lei de Fourier, escrito em coordenadas esféricas e simplificado para descrever o processo unidimensional. A resolução da equação expressa pelo modelo matemático deu-se por meio da implementação de um algoritmo, fundamentado no esquema explícito do método numérico das diferenças finitas, executado no ambiente de computação científica MATLAB 6.1. A validação do modelo matemático foi realizada a partir da comparação de dados teóricos com dados obtidos num experimento, no qual morangos foram resfriados com ar forçado. Os resultados mostraram que esse tipo de investigação para a determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção é promissora como ferramenta no suporte à decisão do uso ou desenvolvimento de equipamentos na área de resfriamento rápido de frutos esféricos com ar forçado.

Estimativa das condições de conforto térmico para avicultura de postura usando a teoria dos conjuntos Fuzzy

Neste trabalho, foi utilizada uma ferramenta matemática promissora na análise de sistemas e/ou processos, particularmente na área de produção animal. Essa ferramenta é a desenvolvida segundo a abordagem da teoria dos Conjuntos Fuzzy e, neste caso específico, permitiu a análise da composição das variáveis climáticas independentes, como temperatura de bulbo seco e umidade relativa do ar, que influenciam na variável dependente denominada conforto térmico das aves. Foi realizada a construção de regras baseadas na intuição humana, segundo o conhecimento de especialistas da área, a partir do que é possível simular cenários distintos para o suporte à decisão de construção de galpões para abrigo a animais. Neste trabalho, foi estimado o conforto térmico para alojamento de aves poedeiras em produção. Os resultados foram analisados, usando-se o ambiente de computação científica MATLAB 6.5, o que pode ser realizado iterativamente a cada cenário gerado. Com base nos resultados obtidos, pode-se analisar as condições de conforto para distintas composições das variáveis de entrada.

Modelo de dimensionamento otimizado para sistemas energéticos renováveis em ambientes rurais

Este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de novo modelo para dimensionamento de sistemas integrados de recursos energéticos renováveis, aplicados a ambientes rurais, a partir da utilização de ferramentas de simulação e otimização desenvolvidas em MATLAB 6.0. O dimensionamento realizado apresenta custo mínimo e atende a determinado nível de confiabilidade desejado para o sistema, baseado no conceito de probabilidade de perda de fornecimento de energia à carga (LPSP) para horas consecutivas. Um modelo de otimização é apresentado e três diferentes cenários de dimensionamento são calculados e comparados, mostrando a flexibilidade na elaboração de diferentes concepções de projeto. Os resultados obtidos contemplam o dimensionamento completo dos dispositivos de conversão energética e análise de custos do sistema.

Modelo dinâmico de simulação e otimização da força normal de reação do solo para um mecanismo de corte basal

O modelo físico foi baseado no método de Newton-Euler, sendo o mesmo desenvolvido utilizando o programa computacional científico Mathematica®. Realizaram-se várias simulações, nas quais se procurou obter a força normal de reação do solo variando velocidades de avanço (0,69; 1,12; 1,48; 1,82 e 2,12 m s-1); perfis de solo (senoidal, rampa ascendente e descendente) e altura do camalhão (0,025 e 0,05 m). Após as simulações iniciais, o mecanismo foi otimizado utilizando o programa computacional científico Matlab®, tendo como critério (função-objetivo) a minimização da força normal de reação do perfil (F N) e como variáveis de projeto os comprimentos das barras (L1y, L2, l3 e L4), altura da operação (L7), o comprimento inicial da mola (Lmo) e a constante elástica da mola (k t). A falta de robustez do mecanismo em relação à variável altura de operação foi contornada por meio do uso de mola com baixa rigidez e grande comprimento. Os resultados demonstraram que o mecanismo otimizado obteve desempenho de flutuação muito bom, em relação ao mecanismo inicial.

Projeto de um cortador de base para colhedora de cana-de-açúcar utilizando otimização matemática

Um cortador de base representado por um mecanismo de quatro barras foi desenvolvido utilizando-se do programa Autocad. Suas partes constituintes foram pré-dimensionadas em função das características operacionais de uma colhedora de cana-de-açúcar em sistema de cana crua e inteira, colhendo uma linha de cana por passada. A força normal de reação do perfil no ponto de contato foi determinada por meio da análise dinâmica, sendo as equações de equilíbrio dinâmico baseadas nas leis de Newton-Euler. O processo de otimização teve como objetivo minimizar a força normal de reação do solo, submetida a restrições de posição, trajetória, comprimento das barras, constante da mola e da força normal. Implementou-se o Algoritmo de Programação Quadrática Seqüencial - SQP do módulo de otimização do programa computacional Matlab. Os resultados mostraram melhora significativa no desempenho de flutuação do mecanismo, representada pela força normal de reação do perfil, a qual foi reduzida de 4.250,33 para 237,13 N. Posteriormente, outras variáveis foram incorporadas ao mecanismo otimizado e um segundo processo de otimização foi implementado.

Sistema de informação geográfica para mapeamento da renda líquida aplicado no planejamento da agricultura irrigada

O objetivo deste trabalho foi desenvolver um algoritmo na linguagem computacional MATLAB para aplicações em sistemas de informações geográficas, visando ao mapeamento da renda líquida maximizada de cultivos irrigados. O estudo foi desenvolvido para as culturas do maracujá, da cana-de-açúcar, do abacaxi e do mamão, em área de aproximadamente 2.500 ha, localizada no município de Campos dos Goytacazes, norte do Estado do Rio de Janeiro. Os dados de entrada do algoritmo foram informações edafoclimáticas, funções de resposta das culturas à água, dados de localização geográfica da área e índices econômicos referentes ao custo do processo produtivo. Os resultados permitiram concluir que o algoritmo desenvolvido se mostrou eficiente para o mapeamento da renda líquida de cultivos irrigados, sendo capaz de localizar áreas que apresentam maiores retornos econômicos.

Uso de redes neurais artificiais na identificação de vocalização de suínos

O bem-estar dos animais tem sido importante tópico de pesquisa na produção animal, principalmente no tocante às formas de sua avaliação. Na avaliação do bem-estar animal, a vocalização mostra-se como ferramenta interessante, por fornecer dados de forma não-invasiva, podendo também ser facilmente automatizada. O presente trabalho teve o objetivo de implementar algoritmo baseado em redes neurais artificiais, capaz de reconhecer vocalizações relacionadas com padrões indicativos de bem-estar. A pesquisa teve duas partes, sendo a primeira o desenvolvimento do algoritmo, e a segunda, sua validação com dados de campo. Registros prévios permitiram o desenvolvimento do algoritmo, a partir de comportamentos observados em porcas alojadas em gaiolas de maternidade. O software Matlab® foi utilizado na implementação da rede. Foi selecionado um algoritmo de gradiente de retropropagação para treinar a rede com os seguintes critérios de parada: máximo de 5.000 iterações ou soma quadrática do erro menor que 0,1. A validação deu-se com porcas e leitões alojados em granja comercial. Dentre os comportamentos usuais, os que mereceram destaque foram: a disputa por alimento no momento das mamadas e o eventual risco de agressão involuntária entre os leitões ou entre esses e a porca. O algoritmo foi capaz de reconhecer, por meio da intensidade do ruído, a situação inerente ao risco de redução do bem-estar dos leitões.

Panssarintorjunnan simulointimenetelmien tarkastelu

Tutkimuksen tarkoituksena on vertailla panssarintorjunnan simulointiin ja mallintamiseen käytettävän kahden erilaisen matemaattisen menetelmän soveltuvuutta ja käytettävyyttä. Näiden työkalujen vertailun kautta pyritään tekemään johtopäätöksiä niiden soveltuvuudesta operaatioanalyysiin ja löytämään kehittämistarpeita menetelmien parantamiseksi ja jatkotutkimusten pohjaksi. Epäsuoran tulen vaikutus huomioidaan taistelun kulussa. Tutkimuksessa käytettävä skenaario on kummassakin menetelmässä sama, ja taistelut käydään neljässä vaiheessa, joihin osallistuvat joukot ja aseet ovat kummassakin tapauksessa samat. Tutkimuksessa käytetään konstruktiivista simulaatiota ja determinististä matemaattista mallia. Simulaatioon on sisälle ohjelmoitu epäsuoran tulen vaikutusmalli, mutta deterministisen mallin kanssa käytetään erillistä epäsuoran tulen vaikutusmallia. Panssarivaunujen taistelu toisia panssarivaunuja ja panssarintorjunta-aseita vastaan perustuu kummassakin menetelmässä tuhoamistodennäköisyyksiin. Tutkimuksessa annetaan esimerkki tuhoamistodennäköisyyksien määrittämisestä ja lasketaan tutkimuksessa käytettävät tuhoamistodennäköisyydet pääosin julkisista lähteistä saatavilla oleviin arvoihin perustuen. Tulosta laskettaessa taistelut aloitetaan kyseistä taisteluvaihetta varten vakioidulla tavalla esimerkiksi rajoittamalla taistelut käytäväksi vain tietyillä tuhoamisetäisyyteen perustuvilla torjunta-alueilla. Simulaation ja matemaattisen mallin välisistä eroista johtuen tämä ei kaikissa vaiheissa täysin toteutunut. Keskeisimmät tulokset liittyvät havaintoihin menetelmien eroista panssarintorjunta-aseiden kulutuksessa ja epäsuoran tulen tehossa. Lisäksi tuloksena havaittiin, että menetelmien välillä ei tuhottujen vaunujen määrissä ole merkittäviä eroja. Matemaattisen menetelmän lopputulos on kuitenkin vahvasti riippuvainen tutkijan tekemistä valinnoista skenaariota rakentaessaan, eikä tämän tutkimuksen lopputulos ole kyseisen mallin kohdalta, joka mitä tästä samasta tilanteesta olisi voinut tulla. Kummankin menetelmän jatkokehittämiseksi löytyi tutkimuksen aikana tarpeita. Matemaattisen menetelmän kohdalla tarpeet painottuvat niin sanottujen kestokäyttöaseiden eli ladattavien asejärjestelmien välisten taisteluiden laskemisen parantamiseen. Simulaation osalta suurimmat kehitystarpeet ovat yksiköiden realistisemman toiminnan kehittämisessä siten, että niiden reagointi taistelukentän ärsykkeisiin olisi todenmukaisempaa.

Influência da suspensão na segurança e no conforto de um pulverizador autopropelido

Para avaliar o comportamento da suspensão do pulverizador autopropelido, foram desenvolvidos modelos físicos e matemáticos em função da excitação ocasionada pelas irregularidades do solo. Neste trabalho, estas irregularidades são representadas por obstáculos de uma pista normalizada segundo a norma ISO 5008. As equações do movimento são obtidas a partir dos modelos matemáticos de meio veículo. As simulações numéricas são executadas nos softwares Matlab® e Simulink®. A partir da entrada conhecida, podem-se determinar as características dos elementos da suspensão para obter níveis desejáveis de conforto e segurança. Foram analisadas quatro diferentes configurações do sistema, variando-se a relação de rigidez a partir de um modelo considerado padrão. Constatou-se que o aumento da relação de rigidez resulta na redução da aceleração vertical e no aumento do curso da suspensão, melhorando o conforto e diminuindo a segurança.