Repositório RCAAP

Novas interfaces homem-computador têm sido pesquisadas a fim de se tornarem mais naturais e flexíveis. O rastreamento labial, foco deste trabalho, é parte deste contexto, podendo ser utilizado na detecção de emoções, bem como no auxílio ao reconhecimento de voz. Pode assim tornar-se um módulo inicial para a leitura labial, na criação de interfaces voltadas a deficientes auditivos. Os algoritmos disponíveis na literatura foram analisados e comparados, mostrando os prós e contras de cada método. Finalmente foi escolhido desenvolver uma técnica baseada em Active Appearance Model (AAM). O AAM gera um modelo a partir de um conjunto de imagens de treinamento, que pode ser utilizado no rastreamento labial de novas imagens. A técnica proposta baseia-se no uso de algoritmos genéticos para o ajuste do modelo, diferente, portanto, da técnica proposta originalmente pelo AAM. A convergência da técnica proposta foi extensivamente analisada, com a variação de parâmetros, buscando a análise de erro residual da função custo e sua relação com o tempo de convergência e erro de posição.

Nos sistemas produtivos contemporâneos, vários processos são executados simultaneamente por meio de um conjunto finito de recursos, que são fortemente compartilhados. No chão de fábrica desses sistemas produtivos, ocorrem também eventos não programados como a quebra de máquina, isto é, indisponibilidade imprevista de recursos que pode dar origem a muitos problemas como o travamento (deadlock) dos processos. Existem várias abordagens para resolver o problema, mas, em geral, elas envolvem o suporte de um sistema computacional especifico para a realocação de recursos. Por outro lado, na prática, os sistemas produtivos já possuem uma arquitetura física de controle dos processos estabelecida por normas internacionalmente aceitas, ou seja, a IEC 61131 e a IEC 61499, que prescrevem as diretrizes para o desenvolvimento de soluções de controle baseadas em CLPs. Nesse contexto, é necessário rever o problema de realocação de recursos para se adequar essa realidade à existência de uma arquitetura baseada em controladores programáveis que compõem o sistema de controle de processos desses sistemas produtivos. No presente trabalho, parte-se de requisitos de uma arquitetura física de controle de sistemas produtivos segundo as normas IEC 61131 e IEC 61499 para implementar uma solução de controle de processos que envolve recursos de uma nova natureza, ou seja, que possuem flexibilidade funcional, não prevista nas correspondentes normas. Além disso, desenvolve-se uma nova arquitetura de controle para realocação de recursos que; mediante a indisponibilidade imprevista de recursos como, por exemplo, a quebra de máquinas; considera a flexibilidade funcional das MFMs (Máquinas-Ferramenta Multifuncionais) como uma característica de seu comportamento a ser explorada em tempo real. Nesse contexto, a arquitetura proposta possui três módulos básicos: Controle de Processo (CP), que é responsável pela execução da sequência de atividades de cada processo, Designação de Funcionalidade (DF), que é responsável pela integração e organização de todas as sequências de funcionalidades dos processos, e Designação de Recurso (DR), que é responsável pela alocação/realocação de recursos, incluindo as MFMs. O trabalho define, também, um método para a implementação dos módulos que constituem o novo sistema de controle de alocação de recursos em sistemas produtivos.

Este trabalho trata da modelagem de sinais ultrassônicos gerados por transdutores circulares (plano e côncavo) no modo de pulso-eco, inspecionando uma região de interesse predeterminada. Para essa análise, dois modelos da resposta impulsiva de um transdutor piezelétrico foram implementados: um do transdutor circular plano e outro do transdutor circular côncavo focalizado. Este último sendo o modelo proposto pelo autor com uma geometria baseada em anéis concêntricos como elementos de área do emissor. A adição de diversos anéis concêntricos, deslocados ao longo de seu eixo e de raios sucessivamente menores, permitiu calcular o campo acústico, gerado por uma abertura côncava, bem como seu eco refletido. A resposta impulsiva de cada anel resulta da diferença entre as respostas impulsivas calculadas para um emissor circular grande e um pequeno. O modelo implementado para o cálculo dos sinais de eco foi utilizado na varredura de uma região contendo um conjunto de pontos com refletividade acústica igual a 1. A reconstrução da imagem foi feita com esses sinais aplicando-lhes a técnica de regularização de Tikhonov. A qualidade das reconstruções das imagens obtidas foi avaliada e comparada a das imagens convencionais. Dentre as métricas de avaliação das imagens reconstruídas estão a influência na variação da velocidade de propagação da onda acústica no meio, a extensão e a discretização do grid e o parâmetro de regularização alfa. Todas as reconstruções foram analisadas segundo o Erro Médio Quadrático (MSE). Finalmente, ensaios experimentais foram conduzidos para a obtenção de A-scans (imagens em modo de amplitude) os quais foram inseridas no modelo teórico para a reconstrução de imagens e analisadas pelo MSE.

Mancais são elementos importantes para o funcionamento adequado de muitos conjuntos mecânicos. Sendo assim, o contínuo desenvolvimento de novos tipos de mancais permite melhorar as condições atuais de funcionamento de dispositivos com necessidades específicas. Além disso, novos mancais proporcionam novos recursos para novos projetos. Este trabalho visa investigar a funcionalidade de um novo tipo de mancal rotativo híbrido resultante da combinação de um par de mancais magnéticos radiais passivos com um par de mancais de escora. Na direção radial, o eixo é mantido em posição central graças a dois mancais magnéticos compostos por imãs permanentes. Na direção axial, a restrição do movimento é devido a um par de mancais de escora localizados nas extremidades do eixo. Pelo ajuste do entreferro de cada par magnético é possível minimizar a carga axial que age em cada mancal de escora. Por meio de estudos baseados no método dos elementos finitos e experimentações, pretende-se esclarecer a relação entre os parâmetros construtivos e o desempenho do mancal. Os experimentos envolvem a verificação do desempenho do mancal por meio de um conjunto para testes, bem como um estudo de caso. O conjunto para testes possibilitou um ensaio de desgaste acelerado, onde uma esfera de aço, utilizada como pivô, manteve contato com uma superfície de PVC rígido. Tal ensaio resultou em um desgaste desprezível da superfície de contato devido à aplicação do novo conceito proposto, validando o mancal híbrido. Em relação ao estudo de caso, o mancal proposto foi empregado em uma bomba centrífuga representando um dispositivo de assistência ventricular, sendo seu desempenho discutido. Através da comparação entre algumas configurações possíveis para este tipo mancal, a rigidez radial é apresentada e discutida. Embora não constitua objeto principal deste trabalho, são discutidos os aspectos ligados ao desgaste causado pelo contato decorrente do uso dos mancais de escora, analisando o benefício do uso conjunto do mancal magnético com o mancal de escora. A expectativa é a de que este tipo de mancal possa ser utilizado em aplicações onde a existência de uma força resultante na direção radial seja muito pequena se comparada com os esforços presentes na direção axial.

A modelagem do comportamento e da dinâmica de pedestres tem se beneficiado dos recentes avanços na capacidade de processamento de grandes quantidades de dados e de simulação de cenários complexos. Estes modelos permitem a prevenção de acidentes em aglomerações e evacuações, e adquirem ainda maior importância no cenário atual, em que a perspectiva de novas pandemias introduz o desafio de controlar o fluxo de pessoas dentro de estádios de esporte, estações de metrô e trem, e em outros espaços urbanos. Neste trabalho, investigamos as diferentes estratégias de modelagem de dinâmica de pedestres em situações de aglomeração, e selecionamos o modelo de forças sociais, proposto por Helbing e Molnar em 1995, como o centro de nossa pesquisa. Desenvolvemos uma implementação deste modelo em Python 3.8 utilizando conceitos de modelagem baseada em agentes e programação orientada a objetos, e testamos a nossa implementação em diversos cenários propostos na literatura. Em particular, comparamos dados de experimentos realizados por Feliciani e Nishinari (2016) com o que obtivemos em simulações, concluindo que o modelo é capaz de reproduzir a dinâmica esperada, porém que se faz necessário um trabalho mais avançado de calibração de seus diversos parâmetros.

Utilizados na extração de petróleo em alto mar, os risers são elementos que conectam a unidade flutuante ao poço no fundo do mar. Eles estão sujeitos às condições ambientais do local onde estão instalados, as quais podem variar no tempo. Em geral, divide-se o estudo do comportamento global dos risers em duas análises: estática e dinâmica. Na análise estática são levados em conta os carregamentos que podem ser considerados constantes no tempo, são eles: peso próprio, empuxo e força da correnteza. Já na análise dinâmica são considerados os carregamentos causados pela movimentação da unidade flutuante, pelas ondas e pela liberação de vórtices. A dinâmica de risers é essencialmente não-linear, principalmente por causa do amortecimento viscoso, que é quadrático com a velocidade relativa, e devido ao contato unilateral entre o riser e o solo. O problema dinâmico pode ser simulado de duas maneiras: no domínio do tempo e no domínio da freqüência. A análise do domínio do tempo é, geralmente, mais demorada, pois a solução é obtida para cada passo de tempo, porém as não-linearidades inerentes ao comportamento da estrutura podem ser consideradas de forma direta. A análise no domínio da freqüência, por sua vez, costuma ser mais rápida, pois o estado estacionário é diretamente obtido, porém, as não-linearidades do problema devem ser devidamente tratadas. O objetivo deste trabalho foi estudar a dinâmica global de risers com foco na modelagem das não-linearidades no domínio do tempo, bem como estudar uma forma de lineariza-las para o domínio da freqüência. Partiu-se de uma análise estática pré-existente, que no domínio da freqüência é a configuração em torno da qual o riser se movimenta. O modelo dinâmico foi obtido através do Método dos Elementos Finitos e o riser foi representado por um elemento de pórtico. Para a análise no domínio da freqüência uma forma de linearização do amortecimento viscoso foi desenvolvida neste trabalho baseada, em uma metodologia já utilizada em casos bidimensionais. Além disso, o contato com o solo foi representado por molas lineares, que recuperam o movimento no plano horizontal e a curvatura corrigida através de uma técnica de camada limite. Com base nos resultados obtidos, pode-se dizer que essas linearizações tiveram o efeito desejado, pois compararam muito bem com os resultados do modelo não-linear. Já no domínio do tempo o amortecimento viscoso pode ser representado de forma não linear, assim como o contato com solo, representado através do contato unilateral, atrito, força de sucção e trincheira. Foram feitas comparações, sempre que possível, com o software comercial Orcaflex 9.2a.

Esta tese explora características de sistemas de manufatura celular virtual, de técnicas de escalonamento e despacho em tempo de execução e de algoritmos genéticos para assegurar um alto grau de flexibilidade de rotas de processo e eficiência na programação de tarefas de sistemas de manufatura do tipo (NDDJSS – non-deterministic dynamic job shop system). Desenvolve-se assim, um método de programação baseado em duas novas técnicas, de clustering e de escalonamento e despacho, respectivamente, aplicado a sistemas de manufatura do tipo NDDJSS. Apresentam-se inicialmente os conceitos fundamentais considerados na organização de sistemas de manufatura em células de trabalho e suas implicações em termos de esforço de coordenação e controle das células e das tarefas; a abordagem por organização funcional das células de manufatura virtuais; ascaracterísticas, definições e notação usadas para problemas de escalonamento; a descrição de técnicas de escalonamento e despacho de sistemas de manufatura; aspectos relevantes de computação evolutiva, mais especificamente, de algoritmos genéticos. Em seguida, introduz-se a nova técnica de clustering e a nova técnica de escalonamento e despacho, juntamente com os requisitos e as formulações associadas. A nova técnica de clustering forma células de manufatura virtuais balanceadas quanto ao volume de trabalho, com alto grau de flexibilidade de rotas de processo. A nova técnica de escalonamento e despacho é autônoma, estável, adaptativa, flexível, contingente, monotônica e relativamente robusta, permitindo a geração de escalas em tempo de execução, ao mesmo tempo em que mantém a medida de desempenho, o makespan, dentro de uma faixa de desempenho pré-estabelecida. Exemplificam-se as aplicações das duas novas técnicas, através de exemplos extraídos da literatura técnica e simulados através de um programa de computador chamado (DEVICE – Design of virtual cells), desenvolvido especialmente para esta pesquisa. Após simulação obtêm-se os resultados de forma estruturada para análise. Os respectivos resultados da aplicação do método de programação proposto comprovam o potencial dessa abordagem.

Atualmente, sabe-se que grande parte dos acidentes graves ocorridos envolvendo uma diversidade de sistemas como plataformas de petróleo, aeronaves ou plantas de processos industriais, poderiam ser evitados caso possuíssem dispositivos de controle projetados especificamente para manter a segurança durante a ocorrência de falhas no funcionamento dos mesmos. Por outro lado, observam-se complicações em realizar o controle de sistemas remotos em que é possível não haver garantia de monitoração em tempo real, como o caso de sondas espaciais ou robôs de exploração. Neste contexto, podem-se encontrar ambas as dificuldades no controle do funcionamento de um Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV) que desempenha a função de auxiliar o bombeamento de sangue para o sistema circulatório de um paciente com insuficiência cardíaca. Este tipo de dispositivo, quando usado para terapia de destino, deve apresentar um elevado nível de segurança, pois, caso haja falha, o risco de morte é eminente. Por sua vez, o sistema deve apresentar um elevado índice de autonomia, já que as características comportamentais e fisiológicas de um paciente estão em constante mudança e afetam diretamente o modo como deve ocorrer a interação entre o DAV e o sistema cardiovascular do paciente. Sendo assim, há uma necessidade premente de aprimoramento do projeto de sistemas de controle de DAVs autônomos e seguros. A proposta do presente trabalho consiste em aplicar conceitos mecatrônicos para o projeto de um sistema de controle de DAVs e, considerando a natureza dos sinais que indicam a ocorrência de falhas, considerar a teoria de Sistemas a Eventos Discretos (SED), ferramentas de análise de risco e técnicas de diagnóstico e tratamento de falhas para a obtenção de modelos de controle considerando-se uma arquitetura modular e distribuída. Desta forma, foi desenvolvida uma arquitetura de controle supervisório para DAVs considerando características de variações de comportamento do sistema circulatório do paciente e do próprio DAV. Esta arquitetura de controle contempla o diagnóstico e tratamento de falhas desenvolvendo um método para a classificação de falhas e, de acordo com a severidade de cada uma delas é proposto um sistema de controle que atua na regeneração ou degeneração do DAV para um estado seguro, v observando, também, o cumprimento de normas médicas e técnicas de segurança. Para atingir este objetivo, propõe-se uma sistemática para o projeto do sistema de controle para DAVs considerando o aspecto multidisciplinar pertinente a este contexto. A base dessa sistemática consiste em realizar uma efetiva análise de risco do sistema utilizando a ferramenta de estudo HAZOP (Hazard and Operability Studies). A partir do conhecimento obtido sobre o comportamento do sistema em situações críticas desenvolvem-se modelos formais utilizando rede Bayesiana e rede de Petri para o diagnóstico e tratamento das possíveis falhas. O comportamento do DAV controlado pode ser analisado de duas formas: (i) a partir de ensaios in vitro utilizando técnicas de análise por simulação e ferramentas computacionais adequadas, além de testes em simuladores cardiovasculares físicos que emulam interação com o sistema circulatório humano; (ii) a partir de ensaios in vivo em animais que poderão ser utilizados para simular modelos físicos de insuficiência cardíaca e permitir uma avaliação fidedigna dos efeitos do implante do DAV. O procedimento proposto foi aplicado para um caso real de desenvolvimento de um DAV envolvendo uma equipe de pesquisadores da Escola Politécnica da USP e do Instituto Dante Pazanesse de Cardiologia. Assim, é possível obter-se um sistema de controle autônomo e seguro que atenda normas técnicas aderentes a esse assunto e os rigorosos requisitos de projeto impostos a essa classe de sistema.

Flexible pipes are used in the offshore oil production to transport fluid and gas from the sea bead to the floating stations, and vice versa. These pipes have several concentric layers, of different materials, geometries and structural functions, since they are exposed to adverse operating environments, subjected to high internal and external pressures, high axial stresses and a series of dynamic loads. The local analysis is an important stage of a flexible pipe design and it consists on determining the stresses and strains distributions along the layers of the pipe. Multipurpose finite element packages are commonly used in the local analysis of flexible pipes, but they possess many limitations due to its generic nature, varying from the absence of specific tools for model creation to heavy restrictions of the number of degrees-of-freedom to make computational processing feasible. At the Polytechnic School of the University of São Paulo, within a research line in progress, several finite macroelements were formulated specifically for structural analysis of flexible pipes, taking into account their particularities, such as geometric patterns and layers assemblage. However, the numerical tools that implement these elements present very high memory and processing consumptions, limiting its usage for large-scale models. Therefore, this work has been motivated by memory and processing limitations of finite element structural analysis of flexible pipes for offshore applications. In this context, the Element-by-Element method, which does not require the global stiffness matrix, was chosen for its potential in memory reduction and processing capabilities, given its scalability and ease of parallelization. After an extensive literature review on numerical methods regarding the EBE method, it was chosen the Element-by-Element Diagonal Preconditioned Conjugate Gradient Method (EBE-PCG) algorithm. Aiming higher computational performance, the finite macroelements formulated by (PROVASI, 2013) were converted to the C++ language, implemented and parallelized in a new analysis tool, named as PipeFEM. The diagonal preconditioned EBE-PCG algorithm was implemented and parallelized with OpenMP. The scalability of the PCG algorithm is directly influenced by the efficiency of the matrix-vector product, an operation that, in the element-by-element method, is computed in a local basis with the blocks that comprise the model, and that requires synchronization techniques when performed in parallel. Four different synchronization strategies were developed, being the one based on geometric- and mesh- based mappings the most efficient of them. Numerical experiments showed a reduction of almost 92% in the EBE-PCG solution time of the parallelized version in comparison to the sequential one. In order to compare the efficiency of PipeFEM with the well-established finite element package ANSYS, a simplified flexible pipe was modeled in both software. PipeFEM was approximately 82 times faster than ANSYS to solve the problem, spending 24.27 seconds against 33 minutes and 18 seconds. In addition to this, PipeFEM required much less memory, 61.8MB against 6.8GB in ANSYS. In comparison to the dense version of MacroFEM, a reduction of more than three orders of magnitude was achieved in memory consumption. Despite the low the rate of convergence presented by the diagonal preconditioner, the implementation is very efficient in computational terms. Therefore, the objectives of this work were fulfilled with the development and application of the EBE method, allowing a reduction of memory and simulation costs.

O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um sistema de automação e controle para tanques oceânicos com múltiplos atuadores para possibilitar a geração e absorção ativa de ondas. O desenvolvimento compreende: a implementação e a validação do sistema de automação e controle para o tanque de provas; o desenvolvimento de algoritmos para a geração de ondas com batedores do tipo flap, para atender aos casos tipicamente utilizados em ensaios de estruturas oceânicas, tais como ondas regulares e irregulares, com ou sem espalhamento direcional. O sistema desenvolvido fez uso de controladores do tipo CLP (controlador lógico programável) em rede de comunicação industrial usando troca de dados síncrona, como uma solução robusta de automação. Os controladores desenvolvidos foram estudados individualmente para a devida caracterização e identificação dos limites de desempenho. Sensores de ondas ultrassônicos foram desenvolvidos e caracterizados para medir ondas nos atuadores e viabilizar a malha de controle de absorção ativa do tanque de provas. Sensores de ondas capacitivos foram desenvolvidos e calibrados para a medição de ondas nos ensaios experimentais. A validação experimental do funcionamento do sistema de atuação, controle e sensoriamento foi realizada utilizando os equipamentos desenvolvidos. Os testes foram feitos validando o funcionamento dos atuadores, a geração de ondas regulares, a geração de ondas regulares oblíquas e a geração de ondas irregulares de cristas longas. Os testes apontaram que os atuadores dos cantos do tanque, que são fixos, provocam alterações no campo de ondas, tal como a difração de ondas. As flutuações foram avaliadas onde os valores extremos podem chegar a 58% e foi apresentada uma proposta de medidas paliativas. As ondas regulares e irregulares foram validadas para que o tanque seja capaz de realizar ensaios experimentais reproduzindo as condições ambientais da costa brasileira em ensaios com modelos reduzidos. Foram realizadas medições do coeficiente de reflexão das ondas regulares e irregulares geradas no tanque de provas que mostram valores em torno de 10%. Usando a absorção ativa de ondas em duas laterais opostas do tanque, constatou-se que a segunda reflexão (re-reflexão) afeta fracamente o campo de ondas. A fim de demonstrar o potencial do controlador do tanque, foi desenvolvida uma nova técnica para focalização de energia de ondas em tanque de provas, fundamentada na técnica de TR (time reversal), para concentrar ondas em pontos específicos do espaço. Esta técnica foi originalmente proposta para aplicações usando ultrassom na forma de ondas de pressão acústica, mas, devido à semelhança do fenômeno físico, a técnica foi aplicada às ondas de superfície livre da água. Foram realizados três tipos de testes usando TR, e em todos eles a concentração de ondas foi obtida no local e no instante esperados. Concluiu-se, então, que o método funciona mesmo que existam obstáculos à propagação da onda, como difração e reflexão no interior do tanque de provas. Um dos testes estudou as ondas concêntricas geradas por um objeto lançado contra a água; a aplicação de TR resultou em uma onda concentrada no ponto de lançamento. Os fenômenos observados podem servir de paradigma para comparações numéricas e estudos de ondas em meios dispersivos.

The goals of this work are to develop a biped gait controller and an active fall recovery algorithm, both based on the capture point stability theory with the criterion of N-step capturability, validate this algorithms via simulations; and to design a biped robot that represents gait on the sagittal plane, capable of serving as a test-bed for legged locomotion research. The effectiveness of the controller and fall recovery are assessed through simulations, with the designed robot, that imposes different types of perturbations, such as: pushes, ramps and irregular terrain. The controller ability to modulate the robot\'s velocity is also demonstrated. The fall recovery algorithm is addressed as a solution to increase robustness without significant detriment to energy efficiency. The controller was proved successful in the simulations, it only demonstrated speed limitation on descending slopes. The fall recovery manages to significantly increase robustness of a standard, energy efficient gait.

Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são projetados para prevenir e/ou mitigar acidentes, evitando indesejáveis cenários com alto potencial de risco, assegurando a proteção da saúde das pessoas, proteção do meio ambiente e economia de custos com equipamentos industriais. Desta forma, é extremamente recomendado neste projeto de SIS o uso de métodos formais para garantir as especificações de segurança em conformidade com as normas regulamentadoras vigentes, principalmente para atingir o nível de integridade de segurança (SIL) desejado. Adicionalmente, algumas das normas de segurança como ANSI / ISA S.84.01; IEC 61508, IEC 61511, entre outras, recomendam uma série de procedimentos relacionados ao ciclo de vida de segurança de um projeto de SIS. Desta forma, destacam-se as atividades que compreendem o desenvolvimento e a validação dos algoritmos de controle em que se separam semanticamente os aspectos voltados para o diagnóstico de falhas críticas e o tratamento destas falhas associado a um controle de coordenação para filtrar a ocorrência de falhas espúrias. Portanto, a contribuição deste trabalho é propor um método formal para a modelagem e análise de SIS, incluindo o diagnóstico e o tratamento de falhas críticas, baseado em rede Bayesiana (BN) e rede de Petri (PN). Este trabalho considera o diagnóstico e o tratamento para cada função instrumentada de segurança (SIF) a partir do resultado do estudo de análise de riscos, de acordo com a metodologia de HAZOP (Hazard and Operability).

Flextensional actuators assembled in association with piezoceramics feature the amplification of nanometric displacements generated by the ceramics energy conversion. For applications that require high precision positioning or vibration response attenuation, such as hard disc reading or atomic force microscopy, a response tracking control needs to be implemented. Shell and plate piezoactuators with vibration control have been extensively studied in literature, however the design of controlled piezoelectric systems by means of the Topology Optimization Method (TOM) has not been fully explored in literature yet, and is generally focused on the frequency domain transient analysis, which employs a model reduction method for the sake of computational implementation. Dealing with transient analysis of flextensional piezoelectric actuators, an active closed loop control design is more suited for the positioning and vibration problem, which consists on measuring the outputs of the system by the closed loop sensor layer, whose signal is modified by a control gain and eventually inputted into the actuator layer so the system response signal is modulated. Aiming to enhance the active feedback control in piezoelectric actuators (PEAs), this work targets the design of the flextensional microstructure considering an active velocity feedback control (AVFC), where the active piezoelectric sensing and actuating cycles imply in an extra damping to the system. Therefore, the flextensional mechanism compliance shall be distributed within the design domain by the allocation of void regions where there should be the flexible hinges. Such a design can be accomplished by means of the TOM, which employs a systematic analysis of the dynamic model through the finite element method (FEM). In this work, the finite element (FE) system model takes into account the piezoelectric ceramics intermediate nodes, what is denominated as non-collapsed piezoelectric nodes model, and whose induced voltage during the time domain dynamic response contributes to the active control of the system. The topology optimization (TO) problem is formulated for the system vibration suppression at the restoring position and at the actuated position (positioner) subject to material volume and design variables constraints. The TOM implemented is based on the solid isotropic material with penalization (SIMP), the dynamic adjoint sensitivity, and on the optimization solver known as sequential linear programming (SLP). To illustrate the method, bidimensional examples of optimized topologies are numerically obtained by employing different velocity feedback control gains, and the topologies efficiency are compared and contrasted.

O sistema de proteção técnica contra incêndio (SPTCI) é um dos principais sistemas que compõem o edifício inteligente (EI), pois a eficiência do seu funcionamento afeta diretamente a segurança das pessoas e o patrimônio do prédio. O SPTCI é composto de diferentes dispositivos, estratégias de controle e atua segundo legislação específica. Devido à complexidade do SPTCI, torna-se fundamental uma modelagem adequada que permita verificar a dinâmica do sistema e sua relação com outros sistemas prediais. Neste contexto, este trabalho propõe um procedimento para a modelagem e análise de estratégias de controle para o SPTCI, integrado com outros sistemas prediais dentro do contexto de EI. A abordagem considerada para este propósito baseia-se na teoria dos sistemas a eventos discretos, na aplicação de técnicas derivadas da rede de Petri e em técnicas de análise através de simulação discreta. Com esta abordagem são desenvolvidos modelos do sistema de controle do SPTCI onde é considerada a sua relação com outros sistemas prediais. Particularmente, explora-se as extensões da rede de Petri como as técnicas Production Flow Schema e Mark Flow Graph. Um estudo de caso é apresentado para ilustrar as principais características deste procedimento.

Pesquisas sobre próteses ativas e exoesqueletos têm se intensificado nas últimas décadas. Seu uso para reabilitação, aumento de força ou substituição de um membro debilitado já está sendo utilizado comercialmente. Porém, um dos desafios para o controle deste tipo de dispositivo é a identificação dos parâmetros das articulações humanas para que o equipamento simule o mesmo comportamento e a interface homem máquina seja mais eficaz e confortável. Este trabalho apresenta o desenvolvimento, construção e validação de um exoesqueleto que é um dispositivo para estudo da marcha. Em outras palavras, o exoesqueleto apresentado é capaz de medir a força de interação com o corpo humano bem como a posição angular das articulações do joelho e tornozelo durante a marcha. Com essas medições é possível calcular os parâmetros de impedâncias dessas articulações. A revisão bibliográfica sobre exoesqueletos foi necessária para a definição dos requisitos do projeto. O projeto do exoesqueleto desenvolvido pela autora durante o trabalho de conclusão de curso foi revisto de acordo com os requisitos estabelecidos. Assim, o novo projeto, chamado de Protótipo II ou ExoLoLi, é capaz de suprir as deficiências do primeiro projeto e atender a todos os requisitos para ser uma ferramenta de estudo da marcha. O ExoLoLi foi construído e experimentos preliminares foram realizados para a sua validação como ferramenta de estudo da marcha. Foi possível confirmar que o exoesqueleto faz as medições de força de interação e de posição corretamente. Também foi possível verificar que o exoesqueleto interfere no padrão natural da marcha. De qualquer forma, o exoesqueleto poderá ser usado, não apenas para o cálculo dos parâmetros de impedância, mas também para estudo de consumo energético com diferentes tipos de controle e para diferentes aplicações (como reabilitação e aumento de força), dependendo do controle programado para o seu funcionamento.

O presente trabalho vem propor um estudo numérico qualitativo de um modelo hidro-elástico para simulação das vibrações induzidas por vórtices (VIV) em cabos submersos. O modelo é composto de um sistema acoplado de equações que descrevem tanto a estrutura quanto o fluido. A estrutura é modelada através de um oscilador elástico clássico e discretizada através de um método de massas concentradas. O fluido é considerado através de osciladores discretos baseados em modelos fenomenológicos com equação de Van der Pol ou Ginzburg-Landau. O acoplamento entre os dois ocorre na direção transversal ao escoamento local através da força de sustentação. O estudo foi feito para verificar quais tipos de comportamentos de resposta podem ser obtidos através do uso dos modelos fenomenológicos e, também, avaliar o potencial de tais modelos no ciclo de projeto na indústria atual, com foco na indústria petrolífera. Esta adequabilidade ao uso em projeto leva em conta, em primeiro lugar, a qualidade das respostas, mas também leva em conta a viabilidade da execução de simulações numéricas em tempo apropriado. Assim, um modelo numérico foi desenvolvido para permitir a integração, no domínio do tempo, deste sistema hidro- elástico. Esta integração é feita através de um método explícito de Euler e permite tratar não-linearidades dos osciladores elástico e fluido. Um conjunto de situações foi simulado numericamente, incluindo configurações verticais e também configurações em catenária. As simulações indicam alto grau de acoplamento entre os osciladores, o que leva a ressonância entre ambos na maior parte dos casos. Com relação ao comportamento do oscilador estrutural em si, foi possível observar fenômenos interessantes tais como lock-in e travelling waves, além do terceiro harmônico da vibração transversal detectado em alguns experimentos reportados em literatura. Com relação à adequabilidade do uso do modelo em projeto, considera-se que isto seja possível dada a relativa rapidez das simulações e aos resultados promissores que ainda podem ser melhorados.

O trabalho desenvolvido tem como objetivo aplicar metodologias de otimização de suspensão para veículos de passageiro e comerciais leves, baseando-se em parâmetros de dirigibilidade e conforto veicular, através do uso de simulação numérica computacional. São apresentadas métricas objetivas utilizadas para a avaliação de um veículo com relação ao seu desempenho em termos de dirigibilidade e conforto e é proposta uma nova métrica global conjunta. São desenvolvidos no trabalho modelos analíticos para quantificar as métricas de dirigibilidade. Os resultados obtidos foram comparados com medições experimentais e resultados de modelos multicorpos mais complexos, atingindo o nível de correlação necessário para os propósitos deste trabalho. Alguns dos modelos analíticos desenvolvidos são contribuições inovadoras deste trabalho, não tendo correspondente anterior na literatura. É apresentada a modelagem dinâmica vertical que possibilita avaliar as métricas de conforto, cuja aplicação foi feita em conjunto com os modelos analíticos de dirigibilidade desenvolvidos, obtendo-se uma avaliação global conjunta. Três ferramentas de otimização são apresentadas e avaliadas na aplicação ao problema de otimização global. A análise comparativa dos resultados dos métodos de otimização permite identificar qual método mais adequado com relação ao desempenho computacional, praticidade de uso e disponibilidade de informação. Finalmente, demonstra-se que a aplicação da otimização numérica proporciona resultados efetivos para melhoria do produto, trazendo ganhos de tempo e custo no desenvolvimento de um novo projeto.

Este trabalho visa o desenvolvimento de um processo de fabricação para a produção de pequenos lotes de transdutores piezelétricos de ultrassom. O comportamento destes transdutores é estudado através de modelos matemáticos e verificações experimentais, com o objetivo de obter especificações de projeto para seleção de cerâmicas piezelétricas, dimensionamento da camada de retaguarda e da camada de casamento de impedância acústica. Utilizando as equações constitutivas dos materiais piezelétricos e a solução da equação de onda, o transdutor é modelado como um produto de matrizes, sendo cada matriz correspondente a uma camada do transdutor. As relações entre os parâmetros de entrada e saída das camadas analisadas do modelo são utilizadas para determinar as funções características de interesse no projeto de transdutores específicos. O processo de fabricação foi desenvolvido visando diminuir o tempo de montagem e aumentar a confiabilidade de funcionamento, melhorando a qualidade de soldagem das conexões elétricas, da colagem e da vedação, e aumentando a precisão de posicionamento dos componentes do transdutor. Assim objetiva-se obter lotes homogêneos em relação às especificações de projeto, com repetitividade no comportamento dos transdutores produzidos. Utilizando o processo de fabricação desenvolvido, um lote de 133 transdutores de 5 MHz foi produzido, com cerâmicas piezelétricas de 10 mm de diâmetro para suportar pressões de até 500 atm. Os transdutores foram testados individualmente e os resultados mostram uma grande repetitividade do processo desenvolvido.

Este trabalho foi motivado pela necessidade de considerar comportamento estocástico durante o planejamento da produção de sistemas de manufatura, ou seja, o que produzir e em que ordem. Estes sistemas possuem um comportamento estocástico geralmente não considerado no planejamento da produção. O principal objetivo deste trabalho foi obter um método que modelasse sistemas de manufatura e representasse seu comportamento estocástico durante o planejamento de produção destes sistemas. Como os métodos que eram ideais para planejamento não forneciam a modelagem adequada dos sistemas, e os com modelagem adequada não forneciam a capacidade de planejamento necessária, decidiu-se combinar dois métodos para atingir o objetivo desejado. Decidiu-se modelar os sistemas em rede de Petri e convertê-los em processos de decisão markovianos, e então realizar o planejamento com o ultimo. Para que fosse possível modelar as probabilidades envolvidas nos processos, foi proposto um tipo especial de rede de Petri, nomeada rede de Petri fatorada. Utilizando este tipo de rede de Petri, foi desenvolvido o método de conversão em processos de decisão markovianos. A conversão ocorreu com sucesso, conforme testes que mostraram que planos podem ser produzidos utilizando-se algoritmos de ponta para processos de decisão markovianos.

A medição das propriedades viscoelásticas de líquidos por ultrassom tem sido um tema de pesquisa importante desde meados do século XX, principalmente, pela possibilidade de realizar medições em tempo real da viscosidade. O método de medição baseia-se na determinação do coeficiente de reflexão complexo (magnitude e fase) de ondas de cisalhamento refletidas da interface definida entre um sólido e uma amostra líquida. Enquanto a medição da magnitude é relativamente simples e precisa, a medição da fase é muito difícil devido à forte dependência da temperatura, que gera uma incerteza muito grande. No entanto, na medição da viscosidade em regime newtoniano somente a magnitude é requerida. Ocorre que os resultados experimentais reportados até o momento na literatura não coincidem quantitativamente com a teoria. Neste trabalho, uma nova técnica que permite determinar com boa precisão a magnitude do coeficiente de reflexão e, por conseguinte, a viscosidade de líquidos em regime newtoniano foi desenvolvida. Foi mostrado que a maioria dos líquidos testados apresentam comportamento newtoniano à frequência de trabalho de 1MHz, com exceção de alguns óleos automotivos de alta viscosidade, que possuem claramente comportamento viscoelástico. Desvios menores que 12,5% nas medições da viscosidade dinâmica de substâncias com moléculas relativamente simples, como glicerina e glicose, mostram a viabilidade da técnica. Também é proposto um novo método que permite calibrar o dispositivo de medição para monitorar a viscosidade de um líquido ou grupo de líquidos. Além disso, uma aplicação na monitoração da contaminação da água por substâncias oleosas é apresentada.