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Orientador: Alberto Luiz Serpa Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho abrange objetivos relacionados ao aprimoramento de algoritmos de realização no espaço de estados (State-Space Realization Algorithm) SSRA, baseados no tradicional algoritmo de realização de autosistemas (Eigensystem Realization Algorithm) ERA, que surge de oportunidades comparando o método com outras técnicas de Identificação de Sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (Multi-Input-Multiple-Output) MIMO. O objetivo principal deste trabalho é introduzir uma nova abordagem considerando a forma iterativa do método SSRA com correlação de dados (State-Space Realization Algorithm with Data Correlation) SSRA-DC. Esta perspectiva visa melhorar a eficácia de identificação do algoritmo quando o sistema possui ruído de medição. O método proposto é composto por iterações do SSRA-DC por meio da retroalimetação da matriz de parâmetros de Markov. Um fator de ganho é aplicado na retroalimentação para atualização dos parâmetros de Markov a cada iteração. Ao longo do trabalho, sinais de sequência binária pseudo aleatória (Pseudo Random Binary Sequence) PRBS, sinais de varredura senoidal (Sine Sweep signal) CHIRP, e sinais de ruído branco gaussiano (Gaussian White-Noise) GWN são empregados como excitação de entrada nas simulações de modelos massa-mola-amortecedor com 5, 50 e 100 graus de liberdade, para verificar o desempenho dos algoritmos. Adicionalmente a esses sistemas lineares, um sistema não-linear com Pêndulo sobre estrutura móvel (Cart-Pendulum) C-PEN é também submetido às simulações dos algoritmos. Vários resultados foram concebidos com base em uma análise estatística de 100 simulações para cada configuração dos algoritmos. Por fim, uma análise comparativa entre o método iterativo SSRA-DC-iCL com as técnicas mais conhecidas do "SI toolbox" do Matlab evidencia a eficácia do novo método. Para os sistemas lineares massa-mola-amortecedor com 50 e 100 graus de liberdade, a precisão de identificação foi um pouco melhor no algoritmo N4SID do que no SSRA-DC-iCL, embora o tempo de processamento computacional (CPT) tenha sido muito menor com o novo método. Para o sistema não linear C-PEN de 2 graus de liberdade, os resultados se inverteram ao comparar os métodos SSRA-DC-iCL e N4SID, no entanto, para este sistema o método ARMAX foi o que apresentou melhor eficácia na identificação Abstract: This work encompasses objectives related to improvements of State-Space Realization Algorithms (SSRA) based on the traditional Eigensystem Realization Algorithm (ERA), which arise from opportunities comparing the method with other identification techniques of MIMO systems. The main objective of this work is to introduce a new approach considering the iterative form of SSRA with Data Correlation (SSRA-DC) method. This perspective wants to improve the identification algorithm effectiveness when the plant has measurement noise. The proposed method is composed of SSRA-DC iterations with the feedback of the Markov parameters matrix. A gain factor is applied in the feedback for updating the Markov parameters at each iteration. Throughout the work, Pseudo Random Binary Sequence (PRBS) signals, CHIRP signals, and Gaussian White-Noise (GWN) signals are employed as input excitation in the simulations of mass-spring-damper models with 5, 50, and 100 degrees of freedom to verify the performance of the algorithms. Additionally to these linear systems, a nonlinear Cart-Pendulum system is also submitted to the algorithms simulations. Several results were performed based on a statistical analysis of 100 simulations for each configuration of the algorithms. Finally, a comparative analysis between the iterative method SSRA-DC-iCL with the most well-known techniques from the "SI Toolbox" of Matlab evinces the novel method's effectiveness. For the linear mass-spring-damper systems with 50 and 100 degrees of freedom, the identification accuracy was a tiny better in the N4SID algorithm than the SSRA-DC-iCL, even though the computational processing time (CPT) was much smaller with the new method. For the nonlinear Cart-Pendulum system of 2 degrees of freedom, the results were inverted when comparing the SSRA-DC-iCL and N4SID methods; however, for this system, the ARMAX method showed the best identification effectiveness Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica CAPES 23038.005057/2015-68

Orientador: Tiago Henrique Machado Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho apresenta um estudo geral sobre a aplicabilidade de métodos de aprendizado de máquina não supervisionado combinados a métodos da Análise Modal Operacional (OMA) no Monitoramento da Saúde Estrutural (SHM) de máquinas rotativas. Para alcançar tal objetivo, os dados de um sistema rotativo suportado por mancais hidrodinâmicos, coletados sob diferentes condições de teste, foram empregados. Os métodos Decomposição no Domínio da Frequência (FDD) e Identificação de Subespaço Estocástico (SSI) foram implementados a fim de extrair os parâmetros modais do sistema rotativo a partir dos dados experimentais. O método de aprendizado não supervisionado chamado Clusterização Hierárquica foi utilizado em um algoritmo que realiza a interpretação automática do diagrama de estabilização obtido a partir do método SSI. Os resultados obtidos a partir do algoritmo permitiram definir quais condições de teste são adequadas para a extração dos parâmetros modais do sistema rotativo. Em seguida, o algoritmo de aprendizado não supervisionado conhecido como K-means foi empregado para determinar quais dos atributos mais empregados para caracterizar os sinais de vibração são capazes de fornecer informações a respeito da qualidade das medições quanto à capacidade de extração dos parâmetros modais do rotor através da OMA. O método K-means e os atributos selecionados foram aplicados a dados do sistema rotativo não utilizados na etapa anterior, o que permitiu que os dados fossem classificados como adequados ou não adequados para a OMA antes que esta fosse aplicada aos sinais. Através dessas investigações, verificou-se o potencial da técnica desenvolvida no trabalho como uma ferramenta de auxílio ao Monitoramento da Saúde Estrutural de máquinas rotativas Abstract: This work presents a general study on the applicability of unsupervised machine learning methods combined with Operational Modal Analysis methods in Structural Health Monitoring of rotating machines. To achieve this goal, data from a rotating system supported by hydrodynamic bearings collected under different test conditions were employed. The Frequency Domain Decomposition (FDD) and the Stochastic Subspace Identification (SSI) methods were implemented in order to extract the rotating system modal parameters from the experimental data. The unsupervised machine learning method called Hierarchical Clustering was used in an algorithm that performs the automatic interpretation of the stabilization diagram obtained from the SSI method. The results obtained from this algorithm enabled the definition of which test conditions were adequate to the extraction of modal parameters from the rotating system. Then, the unsupervised learning algorithm known as K-means was used to determine which of the features most used to characterize vibration signals are able to provide information about the quality of measurements when the ability to extract rotor modal parameters through OMA is analyzed. The K-means method and the selected features were applied to data from the rotating system that were not used in the previous step, which allowed the new data to be classified as suitable or not suitable for OMA before it was applied to the signals. Through these investigations, it was verified the potential of the developed technique as a tool to aid the Structural Health Monitoring of rotating machines Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestra em Engenharia Mecânica CAPES 88887.499835/2020-00

Orientador: Janito Vaqueiro Ferreira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A variedade de materiais no setor aeronáutico para redução de peso e custo tem se proliferado a um grau intensivo, onde têm sido revisadas diferentes pesquisas para encontrar outros tipos de materiais de fácil maneabilidade para construção de peças que satisfazem as restrições impostas. Assim, existe uma procura constante de soluções para facilitar a produção, e ao mesmo tempo aumentar a segurança das aeronaves levando em consideração pontos importantes como a fadiga e ruptura do material. Um material frequentemente utilizado que atende a estes requisitos devido a suas propriedades de densidade e resistência é o alumínio, e é neste ambiente que existe um processo de manufatura utilizado para a soldagem conhecido como "Friction Stir Welding" (FSW). No presente momento, estudos para criação de modelos que representem características mecânicas utilizadas em projetos em função de parâmetros do processo tem sido pesquisados. Embora este processo seja de difícil modelagem devidos as suas complexidades, tem sido estudado e utilizado diferentes algoritmos que possibilitem o melhoramento da representação do modelo, tais como os relacionados com máquinas de aprendizagem (ML) e suas diferentes otimizações. Neste contexto, a presente pesquisa tem seu foco na obtenção de um modelo baseado no algoritmo de aprendizagem de Máquina de Vetores de Suporte (SVM), e também com outros algoritmos tais como Regressão Polinomial (RP) e Rede Neural Artificial (RNA), buscando encontrar modelos que representem o processo de soldagem por FSW através das propriedades mecânicas obtidas pelos ensaios de tração e por análise de variância (ANOVA), entendendo suas vantagens e, posteriormente, recomendar quais dos algoritmos de aprendizagem tem maior beneficio Abstract: In the aerospace industry to reduce weight and cost, a great quantity of materials has been used, which has generated research to find types of materials, that have been better maneuverability and to guarantee the properties required to development of pieces for the industry. Thus, the studies look for optimize between production easiness and increase the aircraft safety, taking into consideration important issues such as fatigue and fracture of the materials. One of the most common approach used is aluminum by their mechanical properties (density and strength), although it has many problems to be welding with the traditional methods. Currently, the Friction Stir Welding (FSW) process is used in the industry, as well in the academy. However, the FSW is difficult to model by the complexities in the physical phenomenal occurred during the weld process, as result, has been studied and used different algorithms that allow enhance the model representation. The Machine Learning (ML) is a methodology studied to obtain the model optimized. In this context, the present research focus by to obtain a model-based in learning algorithm using Support Vector Machine (SVM). Although comparisons were made with other algorithms such as Polynomial Regression (PR) and Artificial Neural Network (ANN), searching to find models that represent the FSW process weld using the mechanical properties obtained by tensile tests and analysis of variance (ANOVA). Finally, conclusions to understand the advantages learning algorithms are presented Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Euclides de Mesquita Neto Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Neste trabalho procurou-se desenvolver uma metodologia para análise transiente de sistemas dinâmicos que apresentem acoplamento solo-estrutura. O sistema dinâmico inicialmente é um sistema acoplado, o qual será desacoplado em dois subsistemas. A metodologia desenvolvida é baseada em um método de acoplamento iterativo entre subsistemas, podendo os subsistemas apresentar domínios limitado e ilimitado. Os subsistemas são tratados de forma independente, podendo ser formulados de acordo com as características e necessidades do sistema, seja solo ou estrutura. O sistema dinâmico em analise é um sistema representado por uma fundação com massa, apoiada em um solo modelado como um semi-espaço tridimensional transversalmente isotrópico e viscoelástico. Desacoplando-se o sistema na interface solo-fundação têm-se dois subsistemas, um representado pela fundação com massa, apresentando um domínio limitado, e o outro representando o semi-espaço, apresentando um domínio ilimitado. O subsistema representado pela fundação com massa será formulado pelo Método numérico de Newmark, e o subsistema representado pelo semi-espaço será formulado pela Integral de Convolução, pois a solução em deslocamento está disponível no domínio da frequência, podendo assim utilizar a Transformada Rápida de Fourier para a obtenção da resposta transiente ao impulso do semi-espaço tridimensional Abstract: The aim of this work is to present a methodology for transient analysis of coupled soil-structure systems. The initially coupled system is uncoupled into two subsystems. The methodology is based on a method of iterative coupling between subsystems, in which each subsystem may be a bounded or an unbounded domain. The subsystems are treated independently and may be formulated according to the characteristics and requirements of the system, soil or structure. The system that is studied in the present work comprises a foundation with mass, resting on the surface of a soil, which is modeled as a three-dimensional, viscoelastic, transversely isotropic half-space. The system is divided at the interface between the soil and the foundation. The first subsystem is the bounded domain comprising the foundation with mass, which is solved by Newmark numerical method. The second subsystem consists of the half-space, for which there is a classical solution in the frequency domain. This solution is used together with a convolution integral scheme to obtain the transient solution that is necessary to the present iterative method Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestra em Engenharia Mecânica

Orientador: Alberto Luiz Serpa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Esta dissertação discute aspectos do monitoramento do processo de soldagem por Friction Stir Welding (FSW) de chapas de alumínio utilizando acelerômetros fixados à superfície das chapas. Os sinais adquiridos durante o processo de soldagem foram processados utilizando dois métodos diferentes - a Transformada de Fourier de Tempo Curto (STFT) e a Transformada Wavelet - que foram capazes de detectar e localizar falhas criadas através da remoção de material nas chapas. A aplicação destas técnicas nos sinais adquiridos durante o processo de soldagem permitem a identificação de mudanças no comportamento destes sinais através de resultados gráficos contendo informações de frequência e de tempo. Através destas informações é possível determinar o momento em que as mudanças de comportamento ocorreram e, consequentemente, prever as posições correspondentes à ocorrência da falha no respectivo cordão da solda Abstract: This dissertation discusses aspects of the Friction Stir Welding (FSW) process monitoring of aluminum plates using accelerometers attached to the plates surface. The signals acquired during the welding process were processed using two different methods - Short Time Fourier Transform (STFT) and Wavelet Transform - that were able to detect and locate failures created by removing material of the plates. The application of these techniques on the signals acquired during the welding process allows the identification of changes in the signals pattern by graphical results containing frequency and time information. Thus it is possible to determine the moment at which the changes in the behavior occurred and therefore predict the positions corresponding to the occurrence of the failure in the weld line Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Alberto Luiz Serpa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O presente trabalho propõe o estudo de estruturas flexíveis e controle de vibrações sob a ótica da otimização simultânea de ambos. Iniciando pela modelagem da estrutura, é apresentada a justificativa para o uso de Elementos Finitos e modelagem no Espaço de Estados, passando ainda pela realização balanceada e redução de ordem do sistema. Na sequência, é descrita a síntese do controlador ??, que parte do princípio da minimização da Norma ?? do sistema. A solução do problema é então apresentada sob a abordagem das Desigualdades Matriciais Lineares, enfoque mais atual devido às suas propriedades de linearidade e convexidade quando aplicada dentro da teoria de controle. Em se tratando do processo de otimização, é desenvolvido um estudo sobre o método simultâneo, onde parâmetros da estrutura são otimizados juntamente com os do controlador de maneira a diminuir os efeitos negativos entre as dinâmicas quando otimizadas separadamente. Ainda assim, são apresentadas duas outras abordagens como forma de comparação: a Ativa Serial e a Passiva Estrutural. Para todos os três casos, a técnica escolhida para a resolução do problema de otimização foi o Algoritmo Genético, cujas vantagens e desvantagens são mostradas junto com toda a descrição de conceitos envolvidos, considerando seus operadores, fluxo algorítmico e até mesmo critérios de parada. Por fim, serão apresentados os resultados analisados sobre um modelo de uma viga engastada, submetida à distúrbios externos, através de uma simulação em MATLAB que engloba todos os conceitos estudados Abstract: The present work proposes the study of flexible structures and vibration control under the light of simultaneous optimization. Starting by structure modeling, it presents the reason for use Finite Element and State-Space modeling, passing also through the balanced realization and order reduction of the system. Sequentially, it describes the synthesis of ?? controller, which considers the minimization of ?? norm of the system. The solution of the problem is then presented under Linear Matrix Inequalities approach, the most up-to-date method due to linearity and convexity properties when applied to control theory. Regarding optimization process, it is developed a study of a simultaneous optimization method where structure parameters are optimized along with the controller ones, aiming to diminish negative influence between dynamics when separately optimized. Even tough, two other approaches are presented by means of comparison: Serial Active and Structural Passive. For all three cases, the chosen technique to solve the optimization problem was the Genetic Algorithm whose advantages and disadvantages are shown along with a description of all involved concepts, considering its operators, algorithmic flux and even stopping criteria. Last, the results analysed over a clamped beam model subjected to external disturbances are shown, through a MATLAB simulation that encloses all studied concepts Mestrado Materiais e Processos de Fabricação Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Alberto Luiz Serpa, Marco Lúcio Bittencourt Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: No presente trabalho, apresenta-se um elemento de contato com alta ordem de interpolação, construído a partir do método mortar de decomposição de domínios discretizados. O alvo de estudo é a verificação da acurácia da solução com o aumento da ordem de interpolação do elemento em problemas bidimensionais de contato com grandes deformações, atrito sem considerar efeitos termomecânicos. São apresentadas soluções para alguns problemas clássicos da literatura de contato. Os resultados obtidos, de uma forma geral, tanto para pequenas como para grandes deformações, mostram que a alta ordem de interpolação pode ser considerada uma interessante estratégia para ganho de precisão na solução deste tipo de problemas, quando o foco em análise é o estudo das tensões e esforços gerados pelo contato Abstract: This work presents a high-order mortar finite element for frictional contact problems considering finite deformations without thermomechanics effects. The aim of this work is to increase the accuracy of the solution in the contact region with the application of p-FEM high-order method. The results for both small and large strains shows that the high order interpolations can be considered an interesting strategy in this kind of problems, when the analysis is focused on the study of stresses and reactions generated by contact Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Alberto Luiz Serpa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: A implementação de controladores de ordem reduzida (fixa) demanda um menor esforço de processamento e consequentemente recursos de hardware menos sofisticados em relação à implementação de controladores de ordem completa. Este trabalho mostra que a implementação prática de controladores H 00 de ordem fixa voltados para o controle de estruturas flexíveis é factível. A obtenção de tais controladores é um problema considerado difícil por ser nãoconvexo. Para contornar as dificuldades numéricas de obtenção dos controladores de ordem fixa, uma combinação do método Lagrangiano Aumentado com Desigualdades Matriciais Lineares (LMls) é utilizada. Uma estrutura de viga com engaste em uma de suas extremidades é modelada através do método de Elementos Finitos. Controladores Hoc de ordem fixa e de ordem completa são projetados com base em um modelo matemático truncado. Incertezas de modelagem e a presença de modos próximos na região de frequência de interesse dificultam a obtenção de controladores que garantam a estabilidade e um desempenho satisfatório. Para contornar estas dificuldades, usa-se a técnica de controle robusto Hoo e filtros de ponderação. Dessa forma, procura-se minimizar o efeito das incertezas e evitar que modos que não foram considerados durante a fase de projeto dos controladores não sejam excitados, garantido assim a não ocorrência do fenômeno denominado spillover. Controladores Hoo de ordem completa e ordem fixa são implementados na prática e os resultados experimentais são comparados com resultados simulados Abstract: The implementation of reduced (fixed ) order controllers requires a smaller computational effort and. consequently, less advanced hardware resources in relation to the implementation of full order controllers. This work shows that the practical implementation of fixed order Hoo controllers directed toward the control of flexible structures is viable. Obtaining such controllers is considered a difficult task for being a non-convex problem. To overcome the numerical difficulties of attainment of fixed order controllers, a combination of the Lagrangian method increased with Linear Matrix Inequalities (LMIs) is used. A cantilever beam is modelled with the Finite Element Method. Fixed and full order controllers are designed based on a truncated mathematical model. Modelling uncertainties and the existence of near modes in the frequency range of interest make difficult the attainment of controllers that assure the stability and the performance of the system. To overcome this difficulty, the robust Hoo control and weighing filters are used. In this way, it is desired to minimize the effect of uncertainties and avoid the excitement of non-modelled modes, assuring that the spillover phenomenon does not occur. Full order and fixed order H x controllers are implemented in the practice and the experimental results are compared with the simulated results Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Alberto Luiz Serpa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: o objetivo deste trabalho é aplicar o controle H2/H 'Infinito'usando desigualdades matriciais lineares com restrições de alocação de pólos em estruturas flexíveis. O problema de controle H2/H'Infinito' é uma técnica usada para a obtenção de controladores com as propriedades do controle norma H2, que trás desempenho ótimo, e do controle norma H 'Infinito' que proporciona desempenho dinâmico robusto. As desigualdades matriciais lineares permitem que a obtenção do controlador seja formulada como um problema de otimização convexa e com restrições adicionais tais como as referentes à alocação de pólos. O problema de alocação de pólos é importante para ajustar o comportamento dinâmico da planta controlada no que se refere a especificações em termos da velocidade de resposta e do amortecimento, por exemplo. O modelo empregado para o estudo foi uma viga sujeita a distúrbios com o controlador atuando de forma não colocada. As matrizes de estado empregadas ao estudo de controle foram determinadas através das matrizes obtidas pelo método dos elementos finitos, considerando o modelo de viga de Euler-Bemoulli. Os resultados mostraram que o uso da alocação dos pólos melhora o desempenho do controlador H2/H'Infinito'. Para a implementação computacional foi utilizado o aplicativo Matlab Abstract: The objective ofthis work is to apply the H2/H'Infinity' control technique using linear matrix inequalities and pole placement constraints to the flexible structures control problem. The H2/H'Infinity' control is a technique to design a controller with mixed features of the H2 and H'Infinity' control formulations, such as, optimal dynamical performance and robust performance. The Linear Matrix Inequalities allow to formulate the problem as a convex optimization problem, and additional constraints can be included such as the pole placement. The pole placement requirement comes ftom the necessity of adjusting the transient response of the plant and ensuring specific behavior in terms of speed and damping responses. The mathematical model used for this study is related to a flexible beam, with an applied disturbance and an actuator in different positions. The state-space matrices of the structure were obtained using the finite element method with the Euler-Bernoulli formulation of beams. The results show that the pole placement constraints can improve the performance of the controller H2/H'Infinity',The Matlab was used for the computational implementation Mestrado Projeto Mecânico e Mecânica dos Sólidos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores : Janito Vaqueiro Ferreira, Alberto Luiz Serpa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho apresenta uma investigação numérica e experimental de uma alavanca de transmissão mecânica considerando a presença de não-linearidades na estrutura. Na investigação experimental foram obtidas as curvas de resposta em freqüência não-lineares de primeira ordem da alavanca. As curvas experimentais foram obtidas com controle da amplitude da componente harmônica fundamental do sinal da força de excitação, usando a técnica de varredura em freqüência e o método de continuação arc-length. O programa de controle experimental foi validado primeiramente com simulações numéricas de modelos simplificados da alavanca de transmissão que consideravam efeitos não-lineares de atrito e folga. Os efeitos não-lineares, modelados por juntas, foram quantificados por funções descritivas que as linearizavam para definir funções de transferência que relacionaram as componentes fundamentais da entrada e da saída. Para que estes modelos simplificados se aproximassem cada vez mais do sistema físico, vários parâmetros do modelo foram determinados experimentalmente, inclusive os parâmetros do modelo de atrito empregado. Com os modelos simplificados da alavanca foram também obtidas as curvas simuladas de resposta em freqüência não-lineares de primeira ordem. Essas investigações mostraram a complexidade de modelar uma estrutura com características não-lineares e a necessidade de modelos mais completos. Já a investigação experimental demonstrou a potencialidade da aplicação do método de continuação arc-length no controle experimental aplicado à obtenção de curvas de resposta em freqüência não-lineares Abstract: This work presents a numeric and experimental investigation of a gearshift lever of mechanical transmission considering the presence of nonlinearity in the structure. In the experimental investigation the first order nonlinear frequency response curves of the lever were obtained. The experimental curves were obtained by controlling the fundamental harmonic amplitude component of the excitation force signal, using the frequency sweeping technique and the arc-Iength continuation method. The program of experimental control was firstly validated with numeric simulations of simplified models of the gearshift lever, which considered nonlinear effects of friction and gap. The nonlinear effects, modeled by joints, were quantified by describing functions which linearized the joints to define transfer functions that related the fundamental components of the input and output. To make these simplified models more closely to the physical system, several parameters of the model were experimentally determined, including the parameters of the friction model adopted. With the simplified models of the lever the simulated curves of first order nonlinear frequency response were also obtained. These investigations showed the complexity of modeling a structure with nonlinear characteristics and the need of more complete models. The experimental investigation demonstrated the potentiality of the arc-Iength continuation method applied in the experimental control to obtain nonlinear frequency response curves Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Celso Kazuyuki Morooka Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: Para a perfuração de poços de petróleo sob águas ultra-profundas (acima de 1500 m de profundidade), é necessária a instalação na cabeça do poço do equipamento de segurança do poço chamado de Preventor de Erupção, ou BOP. Este equipamento é descido pendurado pelo riser de perfuração, e esta operação é conhecida como Reentrada no Poço. Durante a aproximação do BOP ao poço, o equipamento é mantido suspenso sobre a cabeça do poço através do riser de perfuração, e a extremidade superior do riser fica engastada na plataforma flutuante de perfuração. Nesta dissertação de mestrado, a análise dinâmica dos dois sistemas dinâmicos acoplados (riser e plataforma) é realizada através de simulação numérica no domínio do tempo. Um programa computacional foi desenvolvido, que emprega um modelo não-linear para a dinâmica da plataforma flutuante e outro modelo utilizando o Método dos Elementos Finitos para a dinâmica do riser. O sistema de Posicionamento Dinâmico (DP) da plataforma, que é responsável em manter a posição da plataforma dentro de um raio de tolerância sobre a cabeça do poço, também foi incluído no modelo numérico. Um sistema de controle realimentado para controlar a aproximação do BOP à cabeça do poço é proposto. Discussões a respeito da otimização do controle realimentado a fim de minimizar o tempo gasto para a reentrada do poço são realizadas Abstract: During the drilling of petroleum wells in ultra-deep water (more than 1500 m of water depth), it is necessary to assembly a piece of safety equipment called Blowout Preventer, or BOP, on the wellhead. The BOP is lowered hung by the drilling riser; this installation operation is called the Reentry Operation. During the well approach, the BOP is kept suspended above the wellhead by the drilling riser, and the upper end of the riser is fixed at the rig floor of the floating platform rig. In this work, the analysis of the dynamics of the coupled system (platform and riser) is carried out using numerical simulation in the time domain; the software was developed using a nonlinear model for the floating platform dynamics and the Finite Element Method for the riser dynamics. The Dynamic Positioning (DP) system, that keeps the platform position into a tolerance radius on the wellhead position, is also included in the numerical simulation. A feedback control system that controls the BOP approach is proposed. Discussions are carried out on the feedback control system which is developed to reduce the operational time of the reentry operation Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Alberto Luiz Serpa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho tem como objetivo verificar a ação de uma formulação obtida para o controle misto H2/ Hoo via realimentação de saída de uma estrutura modelada por elementos finÍtos. Para isso, também se verificaram as respectivas formulações via realimentação de saída dos controles H2 e Hoo isoladamente, para que os resultados obtidos em cada um deles pudessem validar o equacionamento descrito neste trabalho para o controle misto e servissem de parâmetro para balizar os seus resultados esperados. Os equacionamentos dos controladores seguiram a formulação da programação semi-definida, isto é, minimizam um objetivo linear sujeito a restrições em forma de LMI. Estas LMI representam as condições de estabilidade a que o sistema está sujeito, e as características da interação entre o modelo e a ação do controlador. Uma vez definidas todas estas condições, o problema de minimização, que é convexo, foi implementado para ser resolvido através do Matlab. Os resultados obtidos pela formulação para o controle misto também foram comparados com resultados produzidos pelas formulações clássicas do próprio Matlab, para que este último também servisse como um aferidor dos resultados da formulação apresentada neste trabalho. O modelo da estrutura, definida para uma viga engastada em balanço, também foi calculado através do Matlab, discretizada nos elementos finÍtos apropriados. As determinações das matrizes de massa, de rigidez elástica e de amortecimento, esta determinada pelo modelo de amortecimento proporcional, fazem a ligação com as matrizes de estado que representam o sistema na formulação utilizada para os controladores. Os resultados do controle misto mostram que a formulação convexa do controle via realimentação de saída é viável. Os valores apresentados pelas normas H2 e Hoominimizadas do sistema, e as respostas deste a uma entrada aleatória exógena, exibem a capacidade do controlador misto. Mesmo para um controle não-colocado, as vibrações da estrutura são atenuadas junto com a minimização do sinal de controle, e os picos da resposta em freqüência, vistos nas funções de resposta em freqüência, são reduzidos Abstract: This work has the goal to verify the action of a mixed H2/ Hoo control formulation through output feedback for a structure modelIed in finite elements. Therefore, the pure H2 and Hoo control formulations through output feedback are also verified to validate the described equations in this work for the mixed control and show a reference to their expected results. These formulations are based on the semi-definite programming formulation, and consist of minimizing a linear objective subjected to LMI constraints. These LMI represent the system stability conditions and interaction characteristics between the model and the controller. Once all these conditions are settled, the minimization problem, which is convex, was solved through the Matlab software. The results obtained for the mixed control formulation were compared to the classical results obtained with the Matlab. The purpose is to validate the results ofthe formulation obtained in this work. The structure model, defined for a cantilever beam, was also obtained through the Matlab using the finite elements technique. The mass, stiffness and damping matrices, this last one obtained by the proportional damping model, make the connections to the state-space matrices representing the system for the controller formulation. The results obtained for the mixed control show the convex formulation to output feedback may offer good results. The minimized values of H2 and H00 norms and the behaviour of the controlIed systeIl! for the external random input show the capability of mixed control. Even for a noncollocated control problem the structure vibrations are reduced together with the control signal minimization, and the frequency response peaks, visible in the frequency response graphs, are also reduced. Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Alberto Luiz Serpa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho tem como objetivo principal o estudo de uma técnica de controle baseada em dados experimentais e inteligência artificial para levar a bomba centrífuga submersa (BCS) a operar o mais próximo possível do ponto de melhor eficiência (Best Efficiency Point, BEP) para diferentes condições de operação. Especificamente é proposta a técnica de Redes Neuro-Fuzzy (RNF) no método de controle inverso-direto baseado em variáveis operacionais envolvidas nos experimentos. Este projeto é dividido em duas etapas: na primeira, é projetado o controlador inverso-direto para buscar a operação da BCS em um ponto desejável de ganho de pressão através da variação da rotação. Na segunda etapa, o controlador proposto é integrado em um algoritmo desenvolvido neste projeto para levar a bomba a operar próximo do ponto de melhor eficiência. Os dados experimentais foram adquiridos fazendo testes de desempenho e comportamento dinâmico da BCS operando com petróleo ultra viscoso. Três condições de operação da BCS foram modeladas com base nos dados experimentais para três diferentes viscosidades de petróleo. A dinâmica da BCS para estas condições foi modelada através das Redes Neurais Artificiais (RNA). Uma vez obtidos os modelos dinâmicos da bomba para os três casos de estudo propostos, foi obtido o controlador. Por fim, os resultados dos três sistemas foram analisados a partir da resposta temporal do sistema em malha fechada. Os resultados obtidos demostraram que o método de controle baseado em modelo inverso usando redes Neuro-Fuzzy foi eficaz na resolução deste tipo de problema. Por outro lado, o algoritmo proposto para levar a bomba a operar próximo do BEP depende das curvas de eficiência da bomba. Desta forma, uma outra RNA foi proposta para modelar as curvas de eficiência e conseguir determinar o BEP no regime permanente para diferentes condições de operação. Finalmente, com os sistemas e o controlador modelado, o comportamento do algoritmo em uma malha fechada foi verificado através de simulações. Foi verificado que o algoritmo proposto foi eficaz nas simulações utilizadas Abstract: The goal of this work is to study of a control technique based on experimental data and artificial intelligence to bring the Electric Submersible Pump (ESP) to operate as close as possible to the Best Efficiency Point (BEP) for different operational conditions. Specifically, the technique of Neuro-Fuzzy Networks (NFN) is proposed in combination with the Direct Inverse Control method based on the operational variables involved in the experiments. This work is divided into two steps: in the first step, the direct inverse control is designed to operate the ESP at a desirable point of pressure gain through the variation of the rotation speed. In the second step, the proposed controller is integrated into an algorithm developed in this project to lead the pump to operate near to the Best Efficiency Point. Experimental data were acquired by performing performance tests and dynamic behavior of ESP operating with ultra viscous oil. Three ESP operating conditions were modeled based on experimental data for three different petroleum viscosities. The dynamic behavior of the ESP for these conditions were modeled through Artificial Neural Networks (ANN). Once the dynamics of the pump were obtained for the three proposed studies cases, the controller were modeled. Finally, the results of the three systems were analyzed form the time response of the closed-loop system. The results obtained demonstrated that the control method based on a direct inverse control method using Neuro-Fuzzy networks was effective in solving this type of problem. On the other hand, the algorithm proposed to operate the ESP near to the Best Efficiency Point depends on the efficiency curves of the pump. In this way, another Artificial Neural Network was proposed to model the efficiency curves and to determine the Best Efficiency Point in a steady state condition for different operational conditions. Finally, with the systems and the controller modeled, this algorithm was verified through simulations to verify its behavior in a closed loop. It was verified that the algorithm proposed on different operating conditions was effective for the proposed simulations Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador : Alberto Luiz Serpa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Neste trabalho desenvolveu-se um método de cálculo do erro de transmissão estático de engrenagens helicoidais submetidas à carga. Para isto empregou-se a análise do contato e a determinação da distribuição de carga entre os dentes. Na análise do contato considerou-se o contato também fora do plano de ação, modificações de projeto, erros de fabricação e deflexões dos dentes sob carga que foram calculadas através do método dos coeficientes de influência. Além disto, desenvolveu-se um método interativo com aplicação gradual de carga para determinação da distribuição de carga entre os vários dentes em contato. O procedimento proposto foi implementado em forma de programa computacional e exemplos numéricos foram calculados. Os resultados obtidos foram analisados e comparados com os obtidos em outro programa de reconhecida confiança e as diferenças encontradas foram investigadas e justificadas. Os resultados deste trabalho são importantes para o estudo e compreensão do contato entre os dentes e também para trabalhos futuros de previsão do ruído de engrenagens em um modelo dinâmico Abstract: A procedure for the analysis of static transmission error of helical gears under load is presented in this work. It gets rid of the assumption that the tooth contact will occur on the plane of action. A complete tooth contact analysis is considered taking into account lead and profile modifications, manufacturing errors and tooth deflections under load. Coefficients of influence method were employed to calculate the tooth deflections and a method to determine the load distribution on gear meshing was developed. The procedure was fully implemented through a computer code and some numerical examples were verified. The results were analyzed and compared to results of other reliable computer program and the differences between results were discussed and their causes were presented. This work presents a relevant contribution to the study and understanding of tooth contact under load, and contributes in the direction of a future work such as the dynamic model for gear noise prediction Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Alberto Luiz Serpa Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Assim como os estudos sobre as técnicas de projeto de controladores têm a sua importância, as pesquisas referentes ao posicionamento de atuadores e de sensores são importantes para a obtenção de estruturas inteligentes que atinjam melhor desempenho. Em alguns estudos sobre estruturas inteligentes, o posicionamento de sensores e de atuadores é definido por algum critério físico e, posteriormente, o controlador é projetado para atender às necessidades do sistema controlado. Entretanto, a quantidade e o posicionamento ótimo de sensores e de atuadores também pode ser obtido através de uma solução de um problema de otimização, levando-se em conta, por exemplo, as posições possíveis em que os elementos ativos podem ser alocados e a quantidade disponível desses. Este trabalho apresenta cinco técnicas heurísticas e discretas de otimização, com o objetivo de determinar posicionamentos discretos dos elementos ativos em sistemas de controle. Além disso, uma técnica que envolve determinar, além do posicionamento, a quantidade de elementos ativos é apresentada. Essas técnicas foram implementadas baseando-se em um método de cortes geométricos, em Algoritmos Genéticos e no método de Recozimento Simulado. Dependendo da quantidade máxima desejada de sensores e de atuadores e do número de posições possíveis para alocá-los, devido ao número de combinações possíveis que precisam ser avaliadas, um algoritmo puramente combinatorial pode ser difícil de ser utilizado. Dessa forma, as técnicas aqui desenvolvidas têm o objetivo de obter soluções, analisando menos combinações, em um tempo computacional menor. Neste trabalho, os controladores serão projetados a partir da teoria sobre controle H-infinito. Assim, a função objetivo que será utilizada para resolver o problema de posicionamento dos elementos ativos será a norma H-infinito do sistema em malha fechada Abstract: As well as the studies about controller design techniques have its importance, related researches for actuators and sensors positioning are important to obtain smart structures that can achieve better performance. In some studies about smart structures, the positioning of sensors and actuators is defined by some physical criteria and thereafter, the controller is designed to satisfy some requirements of the controlled system. However, the optimal amount and the optimal placement of sensors and actuators can also be obtained through the solution of an optimization problem, taking into account, for example, the possible positions to allocate the active elements and the available amount of these. This thesis presents five discrete heuristics optimization techniques, in order to determine the discrete positions of the active elements in active control systems. Furthermore, a technique that involves the amount of active elements and the positioning determination is shown. These techniques have been implemented from three heuristic methods. One technique was implemented based on the geometric cuts, five techniques were developed based on the Genetic Algorithms and one technique was implemented from the Simulated Annealing method. Depending on the desired number of the sensors and actuators and the number of the candidate positions, it is impractical to use a combinatorial algorithm, because this is very expensive in terms of computational time due to the number of possible combinations. Thus, the techniques developed here have the aim to obtain good solutions analyzing less combination than the combinatorial method and in the smallest computational time. In this work, the controllers are designed from the theory of H-infinity control. Thus, the objective function used to solve the positioning problem of active elements is the H-infinity norm of the closed-loop system Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutora em Engenharia Mecânica CNPQ 148669/2011-5 CAPES

Orientador: Eurípedes Guilherme de Oliveira Nóbrega Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O resumo poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: The abstract is available with the full electronic document Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Jose Maria Campos dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Neste trabalho, estudam-se os fenômenos de propagação de ondas elásticas em placas simples e acopladas e se propõe unia metodologia para análise do comportamento vibracional médio cm frequência-espaço com o objetivo de identificar como as vibrações se propagam através dessas estruturas em médias e altas freqüências. Para isso utilizou-se de métodos de energia originados da Análise de Fluxo de Energia (EFA) e que têm como variáveis primárias a densidade de energia e fluxo de energia. Duas formulações foram usadas para resolver as equações diferenciais de energia aproximada derivada du EFA: o Método dos Elementos Finitos de Energia (EFEM) e o Método do Elemento Espectral de Energia (ESEM). O Método do Elemento Espectral (SEM) foi uma outra formulação estudada para resolver as equações diferenciais de propagação de onda em placa fina, bem como para validar a metodologia proposta. Diferentes tipos de acoplamentos foram investigados e implementados tais como: placa-placa, placa com reforço e placa com dano. Para isso, desenvolveram-se relações de acoplamentos que descrevem essas descontinuidades estruturais. Uma investigação experimental do comportamento vibracional de uma placa simples e com reforço foi realizada para verificar os resultados do ESEM. De forma geral, observa-se que os resultados obtidos pelos modelos simulados apresentaram um comportamento semelhante aos resultados encontrados experimentalmente Abstract: In this research, propagation phenomena of elastic waves to simple and coupled plates are investigated and a methodology, based on energy methods, is proposed to predict the space- and frequency-averaged vibrational response of these structures, at mid and high frequencies. These methods, originated from Energy Flow Analysis, use as primary variables the energy density and the energy flow, which are parameters to vibrational analysis. Two methodologies are used to solve approximated energy differential equations derived from EFA: Energy Finite Element Method (EFEM) and Energy Spectral Element Method (ESEM). Another formulation the Spectral Element Method (SEM), is used to solve differential wave equation of thin plates in terms of displacement, based on classical mechanics; moreover this method is applied to validate the proposed methodology. Different discontinued structures were investigated, such as plate-plate, reinforced plate and damaged plate. To this purpose, coupled relationships that represent these discontinuities are developed. An experimental investigation of vibrational response of a simple and reinforced plate was performed to verify the results of ESEM. The experimental results, calculated in terms of energy variables, to both analyzed structures, showed a good agreement with the simulated models Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Marco Lucio Bittencourt Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Os Métodos de Elementos Finitos de Alta Ordem tem sido aplicados com sucesso em problemas de Mecânica dos Fluidos e Eletromagnetismo por apresentar uma taxa de convergência exponencial para problemas com solução ao polinomial. No entanto, devido ao uso de funções de interpolação de alta ordem, as matrizes dos elementos são mais densas. Este trabalho apresenta uma formulação ao que permite obter matrizes de rigidez de quadrados e hexaedros altamente esparsas para Problemas de Poisson. Para isso, utiliza-se a equivalência da solução de problemas de projeção unidimensionais que envolvem as matrizes de massa, mista e rigidez. Mostra-se que as matrizes de quadrados e hexaedros podem ser obtidas pela combinação ou tensorização dessas matrizes unidimensionais. A matriz de massa unidimensional que compõe a formulação das matrizes de rigidez de quadrados e hexaedros é densa e pode ser substituída pela matriz de rigidez unidimensional que se mostra bastante esparsa com as funções de base utilizadas no trabalho. A formulação é validada para quadrados e hexaedros locais e estendida para malhas não distorcidas desses mesmos elementos. Erros de aproximação da solução, esparsidade das matrizes de rigidez globais e tempo de execução são apresentados. Abstract: High-order Finite Element Methods have been applied with success to problems of Fluid Dynamics and Electromagnetism. The main feature of these methods is to present an exponential convergence rate for problems with polinomial solution. However, due to the use of high-order interpolation functions, the elemental matrices are denser. This work shows a mathematical formulation, with tensorization concepts applied to the base functions that make up the matricial system matrices which will enable to write uniformly the systems resulting from the application of mass, mix and stiffness matrices. This possibility arises from the proposed formulation, which makes the solution vector equal to the three systems. Consequently, the 1D array mass, usually dense, that makes up the formulation of the rigid 2D and 3D matrices, in squares and hexahedra, may be replaced by the stiffness matrix 1D, which shows itself very sparse related to the base functions used in this work. The formulation is validated to quadratic and hexahedral elements and it is extended to non-distorted meshes of the same elements in the Poisson problems resolution. Approximation errors in solution, sparsity of the global stiffness and run time are also observed. Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Alberto Luiz Serpa, Ana Maria Frattini Fileti Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Na indústria petrolífera, o escoamento a jusante do poço é composto de uma grande variedade de hidrocarbonetos e componentes não desejados como água, dióxido de carbono, sais, enxofre e areia. A necessidade de um medidor de vazão multifásico surge quando é necessário ou desejável medir a vazão a montante dos separadores. A técnica ultrassônica preenche muito dos requisitos para medição multifásica, principalmente por ser não intrusiva, não radioativa, robusta e relativamente barata. Neste trabalho, é proposto um sistema de medição para escoamentos bifásicos líquido-gás baseado em sinais ultrassônicos. O sistema é composto de dois transdutores ultrassônicos, operando em modo pulso/eco, dois pulsadores e um sistema para aquisição e tratamento de dados. Os dados foram coletados em uma montagem experimental para escoamentos verticais líquido-gás construída na laboratório de estudos de petróleo LABPETRO-UNICAMP. Esta montagem possui uma linha vertical de 52,5mm de diâmetro e de aproximadamente 13m de comprimento. Nesta montagem foi realizado um total de 816 medições experimentais, sendo 408 para escoamentos água-ar e 408 para escoamentos óleo-ar. A montagem foi instrumentada com medidores de pressão, temperatura e vazão para avaliar os resultados com modelos mecanicistas. Além disso, o escoamento foi filmado com uma câmera de filmagem rápida e medidas independentes da fração de vazio de gás foram realizadas com um sistema de fechamento rápido. O sistema proposto foi capaz de distinguir os padrões de escoamento pistonado, bolhas dispersas e agitante para escoamentos água-ar e óleo-ar. Ademais, para o padrão bolhas dispersas, foi possível estimar a velocidade das bolhas dispersas, a fração de vazio do escoamento e as vazões de líquido e gás. Para o padrão pistonado foi possível estimar as velocidades das bolhas alongadas e das bolhas dispersas no pistão de líquido, os comprimentos das bolhas alongadas e dos pistões de líquido, as frações de vazio das bolhas alongadas, dos pistões de líquido e das células unitárias e as vazões de líquido e gás. Os resultados encontrados estão coerentes com referências da literatura, com os resultados obtidos através da análise de imagens, do sistema de fechamento rápido e com as medições de vazões. A técnica proposta se apresenta como uma promissora ferramenta para o monitoramento e controle de linhas de escoamentos bifásicos líquido-gás Abstract: In the oil industry, downstream well flow is composed of a wide variety of hydrocarbons and unwanted components such as water, carbon dioxide, salts, sulfur, and sand. The need for a multiphase flowmeter arises when it is necessary or desirable to measure the flow upstream of the separators. The ultrasonic technique meets many of the requirements for multiphase measurement, mainly because it is non-intrusive, non-radioactive, robust and relatively cheap. In this work, a measurement system for two-phase liquid-gas flows based on ultrasonic signals is proposed. The system consists of two ultrasonic transducers operating in pulse/echo mode, two pulsers and a system for data acquisition and processing. Data were collected in an experimental setup for vertical liquid-gas flows constructed at the petroleum study laboratory LABPETRO-UNICAMP. This assembly has a vertical line of 52.5mm in diameter and approximately 13m in length. In this assembly a total of 816 experimental measurements were made, 408 for water-air flows and 408 for oil-air flows. The assembly was instrumented with pressure, temperature and flow meters to evaluate the results with mechanistic models. Also, the flow was filmed with a high-speed camera and independent measurements of the gas void fraction were performed with a quick-close system. The proposed system was able to distinguish the slug, dispersed bubbles and churn flow patterns for water-air and oil-air flows. Besides, for the dispersed bubbles, it was possible to estimate the velocity of the dispersed bubbles, the gas void fraction of the flow, and the gas and liquid volumetric flow rate. For the slug, it was possible to estimate the velocities of the elongated bubbles and the dispersed bubbles in the liquid slug, the lengths of the elongated bubbles and the liquid slugs, the void fractions of the elongated bubbles, the liquid slugs and the unit cells, and the gas and liquid volumetric flow rate. The results are consistent with literature references, as well as with the results from image analysis, the quick-closing system, and the measurements of the volumetric flow rate. The proposed technique presents itself as a promising tool for the monitoring and control of two-phase liquid-gas flow lines Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica FAPESP 2014/00363-9

Orientador: Katia Lucchesi Cavalca Dedini Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O objetivo desta tese e estudar as possibilidades de aplicacao de metodos ativos de controle em feedback e feedforward atraves de atuadores magneticos para estabilizacao e atenuacao da vibracao lateral de rotores suportados por mancais hidrodinamicos cilindricos. Sabe-se que rotores suportados por mancais hidrodinamicos cilindricos comumente tem sua velocidade de operacao limitada a aproximadamente duas vezes sua primeira velocidade critica devido ao fenomeno de auto excitacao conhecido como oil whip (ou instabilidade fluido induzida). Tal comportamento pode ser aproximado linearmente por uma queda nos coeficientes equivalentes de amortecimento direto e aumento da rigidez cruzada no mancal de acordo com a velocidade de rotacao do eixo. Alem da variacao em funcao da velocidade de rotacao, considera-se tambem a possibilidade de incertezas provocadas por desgaste de abrasao no mancal. Dessa forma, sao projetados controladores MIMO por realimentacao de saida que apresentem robustez a tais variacoes parametricas. Especificamente, sao demonstradas aplicacoes de controladores H¿ estaticos linearmente dependentes da velocidade de rotacao. Controladores estaticos sao relativamente faceis de projetar e implementar, porem possuem baixa capacidade de amortecimento, e, consequentemente, atingem faixas de atenuacao de amplitude limitadas. Assim, e proposto aplicar forcas de compensacao em malha aberta para aprimorar o desempenho geral do sistema de controle. O metodo e baseado em modelo e explora a caracteristica periodica do funcionamento do rotor, cuja resposta e comumente composta apenas por componentes harmonicas da frequencia de operacao mesmo quando em condicoes de falha e desgaste. A forca de compensacao em feedforward e calculada buscando a minimizacao das componentes modais da resposta atraves do metodo dos minimos quadrados. Os metodos propostos sao testados e validados em duas bancadas de testes distintas. Sendo a primeira composta por um mancal hidrodinamicos e um mancal magnetico, entre outros componentes auxiliares, o que permitiu testar os controladores em situacao relativamente mais simples. E a segunda bancada, composta por dois mancais hidrodinamicos e um atuador magnetico, a qual apresenta uma configuracao mais desafiadora para o controle Abstract: This thesisf objective is to study the possible applications of feedback and feedforward active control methods through magnetic actuator to stabilize and attenuate the lateral vibration of rotors supported by cylindrical hydrodynamic bearings. Rotors supported by cylindrical hydrodynamic bearings commonly have their operational speed threshold limited at approximately twice their first critical speed due to the auto excitation phenomenon known as oil whip (or fluid induced instability). Such behavior can be linearly described by a loss in the equivalent direct damping coefficients and the rise of bearing cross-coupled stiffness coefficients depending on the shaft rotational velocity. Besides the speed variation, the possibility of uncertainties due to bearing abrasion wear is also considered. Therefore, output feedback MIMO controllers are designed to be robust to such parametrical variations are designed. Specifically, it is demonstrated the application of static H¿ controllers linearly dependent on the rotational speed. Static controllers are relatively easy to design and implement, but they have low damping capability, and, thus, achieving limited attenuation range. Therefore, a feedforward force compensation control is proposed in order to improve the general control system performance. The method is based on model and explores the periodicity, which response is mostly composed of operational frequency harmonics even under fault and wear condition. The feedforward force is calculated to minimize the response modal components by least squared minimization. The proposed methods are tested and validated in two distinct test rigs. The first one is composed by a single journal bearing and an active magnetic bearing, beside other auxiliary components, which allowed to test the controllers in a simpler condition. The second test rig is composed by two journal bearings and a magnetic actuator, which is a more challenging configuration to control. Key Word: Rotating machinery, varying H¿ control, feedforward control, journal bearing, magnetic actuator Doutorado Mecânica de Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica FAPESP 2016/13059-1; 2017/15494-0; 2015/20363-6