Repositório RCAAP

Propõe-se um novo método D-bar de Tomografia por Impedância Elétrica (TIE) para obter, simultaneamente, a condutividade e a permitividade de um domínio 2-D. O algoritmo direto baseia-se na prova de existência e unicidade do artigo de E. Francini [1]. A caracterização de tecidos biológicos é fortemente facilitada a partir do conhecimento de suas propriedades elétricas. Particularmente, nas aplicações médicas de TIE há grande interesse na permitividade, uma vez que, vários autores tem apresentado critérios para distinguir patologias baseados nesta propriedade, um exemplo constitui a determinação de presença ou ausência de sangue em líquidos acumulados no pulmão. Realizam-se testes com dados simulados numericamente e experimentais com o propósito de verificar e entender as propriedades, capacidades e limitações do algoritmo implementado. No caso dos testes numéricos, é desenvolvido um programa que resolve o problema direto da admitividade, o qual permite calcular conjuntos de dados de voltagem numéricos. São simulados dados aplicando padrões de corrente trigonométricos e por pares. As soluções exponencialmente crescentes do problema inverso são parte essencial do algoritmo e devem ser decompostas nas bases dos padrões de injeção de corrente. A compreensão da natureza destas decomposições para padrões de injeção trigonométricos e por pares, levou ao estabelecimento de especificações no projeto de um sistema de TIE para este algoritmo. Os resultados encorajadores numéricos e experimentais obtidos nas reconstruções de condutividade e permitividade, quanto à resolução espacial e às magnitudes, indicam que o algoritmo é promissor para uso clínico.

One solution to overcome the limitations of small scale model testing, such as scaling conflicts or infrastructure constrains, while retaining the physical phenomena\' complexity, is hybrid model testing. In hybrid model testing, the physical substructure (tested experimentally) and the numerical substructure (simulated in a computer) interact with each other through a network of sensors and actuators. Hence, to apply the desired effects in the physical substructure, precise control of the actuators is necessary. In this work, we will develop a force actuator for hybrid model testing of a vessel in a wave tank. It will be employed a robust control technique (super-twisting sliding mode) to develop the controller of the force actuator consisting in a servomotor that applies a desired force through a line attached to the vessel model. We describe the force actuator dynamics and develop the sliding mode controller considering the system uncertainties (external disturbances, unknown plant parameters or unmodeled dynamics). Then, the force actuator is validated experimentally. We analyzed a step and a sinusoid input (0.1 to 2.0 Hz), with a disturbance motion of frequencies up to 1.5 Hz. The actuator developed showed good results (mean absolute error inferior to 0.1 N in all tests), where the high frequency error spikes (up to 0.33 N) should not have a significant effect on the hybrid model tests slow dynamics. We conclude that the force actuator will be a valuable tool for hybrid model testing.

Estruturas que estão sujeitas a altas temperaturas absolutas, à convecção natural, ou ainda, estruturas que trocam calor na ausência de um meio físico, apresentam relevante transferência de calor por radiação térmica. Este fenômeno é importante para diversas aplicações e processos, como, por exemplo, no funcionamento de coletores solares, satélites, fornos industriais, motores a combustão e usinas nucleares. O presente trabalho de mestrado apresenta a aplicação do método da otimização topológica (MOT) no projeto de estruturas que trocam calor substancialmente por radiação térmica no interior de confinamentos, através da distribuição de material refletor ou de aquecedores. Por meio do MOT, cuja principal característica é a liberdade de distribuição do material dentro de um domínio inicial, é possível adicionar ou remover material de uma determinada região do domínio, criando ou desfazendo fronteiras, de forma livre, visando à obtenção de um projeto otimizado. O algoritmo de otimização é baseado no Método das Assíntotas Móveis (MMA) e é complementado pelo Método dos Elementos Finitos (MEF), para a análise do fenômeno de radiação em confinamentos. Ambos são implementados através do software Matlab. Os casos considerados são o da distribuição de material refletor de radiação térmica ou de aquecedores, sujeitos a uma eventual restrição nas quantidades destes materiais, sobre uma superfície plana, de forma a extremizar-se a irradiação ou a minimizar-se a temperatura em determinada área específica do domínio de projeto. Este problema depende, dentre outros fatores, da geometria da superfície e dos ângulos dos raios incidentes sobre ela.

Com a evolução da medicina e o consequente envelhecimento da população, o aneurisma de aorta abdominal (AAA) se tornou uma doença cada vez mais presente, sobretudo em homens. A falta de conhecimento detalhado do comportamento mecânico do tecido aórtico abdominal é o principal gargalo no refinamento do critério para a recomendação de cirurgia corretiva, resultando, ainda hoje, no óbito decorrente da ruptura desses aneurismas. O entendimento do comportamento mecânico desse tecido permitirá o refinamento do critério atual, salvando mais vidas. Esse entendimento pode ser obtido através da Mecânica do Contínuo, utilizando dados experimentais de ensaios mecânicos para avaliar e descrever o comportamento do material. Para que isso ocorra, é necessário que o teste seja feito em dois eixos independentes. No presente trabalho, foram escolhidos os eixos longitudinal e circunferencial para a realização de testes mecânicos, levando em consideração aspectos de metodologias já utilizadas, seus pontos fortes e deficiências. São apresentados o projeto, a construção e e a calibração de um equipamento para ensaios biaxiais de tecidos biológicos tubulares, extraídos de cadáveres, e testados até a ruptura, com a possibilidade de realização de ensaios de pré-condicionamento. Tubos de látex foram utilizados na calibração do equipamento, de cuja utilização é esperada grande contribuição na ampliação do conhecimento da probabilidade de ruptura de AAAs e em uma melhor compreensão do comportamento do tecido da uretra peniana.

O processo de separação da água em emulsões de petróleo é feita durante o processamento primário do petróleo e consiste na coalescência de gotas de água. Para minimizar o uso de desemulsificantes e acelerar o processo de separação da emulsão alguns equipamentos podem ser utilizados como os separadores acústicos. Neste trabalho a técnica de força de radiação produzida por ondas estacionárias de ultrassom é aplicada na segregação das fases líquidas de emulsões água em óleo. São desenvolvidas células de ultrassom que operam em frequências próximas de 1 MHz através de ressonadores piezelétricos visando a aplicação na coalescência de gotas de água em emulsões do tipo água-óleo. O trabalho envolve simulações do campo acústico através de modelos analíticos unidimensionais e bidimensionais e de um modelo numérico bidimensional pelo método dos elementos finitos para o estado plano de deformações. São realizadas verificações experimentais em protótipos de células de alta potência para separação em batelada através da comparação do potencial de radiação acústica e da impedância elétrica com resultados de modelos computacionais. Diversos ensaios de quebra de emulsões sintetizadas de petróleo são realizados utilizando um aparato experimental de laboratório aplicando potências de até 600 W=l. Um sistema de controle de frequência de operação é implementado para manter máxima transmissão de potência elétrica para a célula. Os resultados mostraram que a técnica empregada pode reduzir pela metade o uso de desemulsificante químico (de 20 a 10 ppm) ou diminuir o tempo de residência em até 60% (de 20 para 8 min). Uma análise da influência da frequência na eficiência de desemulsificação é realizada e indica que não há sensibilidade no resultado para a faixa de frequência entre 0.8 e 1.5 MHz a uma temperatura ambiente de aproximadamente 23 C. A metodologia empregada auxilia no projeto das células e na aplicação da técnica, mas é insuficiente para explicar integralmente os mecanismos de separação e as diferenças entre o protótipo e o modelo. A aplicação de ultrassom na coalescência de emulsões possui potencial para desenvolvimento em larga escala.

Para que um transdutor ultrassônico gere e transmita um pulso curto e receba ecos com elevada sensibilidade, além de uma camada de retaguarda que absorva as ondas emitidas para trás, é necessário que haja um bom casamento de impedância acústica entre a cerâmica piezelétrica e o meio externo (camada de acoplamento). Quando comparado ao acoplamento em líquido, o acoplamento em ar é ainda mais complexo, pois este tipo resulta em perdas elevadas durante a transmissão e a recepção dos sinais acústicos, devido à grande diferença de impedância acústica entre a cerâmica e o ar. Certas aplicações requerem um acoplamento em ar e, para isso, os transdutores ultrassônicos usados devem ter banda larga, além de uma baixa impedância acústica. O aumento da largura de banda de um transdutor piezelétrico pode ser alcançado com o emprego de piezocompósitos, de uma camada de retaguarda, de camadas de acoplamento frontal e melhorias na parte eletrônica. A contribuição deste trabalho visa a estudar e desenvolver piezocompósitos com maior largura de banda para aplicação em transdutores de ultrassom para acoplamento em ar. De modo geral, os piezocompósitos possibilitam um maior fator de acoplamento eletromecânico e uma menor impedância acústica quando comparado às cerâmicas piezelétricas convencionais. Neste trabalho foram realizadas a modelagem, a construção e a caracterização de três tipos de piezocompósitos: piezocompósitos com gradação da densidade, piezocompósitos 2-2, e piezocompósitos 1-3. Naqueles com gradação da densidade,variaram-se os parâmetros profundidade, largura e distribuição dos cortes. O método de elementos finitos foi utilizado para analisar a influência dos parâmetros dos cortes. Os piezocompósitos foram construídos a partir de piezocerâmicas circulares e retangulares. Alguns dos piezocompósitos construídos foram submetidos a experimentos de interferometria a laser, mostrando a variação da distribuição dos deslocamentos máximos na superfície em função da frequência. A partir do espectro de frequência da condutância e dos valores inferiores e superiores da largura de banda foram analisados os deslocamentos máximos nas diversas regiões da superfície dos piezocompósitos. Nos piezocompósitos gradados observou-se que os deslocamentos máximos em determinadas regiões da superfície do piezocompósito dependiam da frequência de excitação. Desse modo, os piezocompósitos gradados apresentaram fator de acoplamento eletromecânico e largura de banda maiores do que os dos piezocompósitos 1-3. Transdutores com emissão em ar construídos a partir de piezocompósito gradado e do tipo 1-3 foram caracterizados e medidos os parâmetros largura de banda e fator de acoplamento eletromecânico. O transdutor construído a partir do piezocompósito gradado apresentou maior largura de banda quando comparado com o transdutor do tipo 1-3.

Ship Manoeuvring Simulators have proved to be powerful tools on analyzing the feasibility of new maritime maneuvers and new port constructions. In order to provide a complete immersive and real environment, such simulators must correctly represent the dynamics of the controlled vessel as well as the actuation of the tugboats, which have been extremely used over the last years due to the increasing complexity on the maritime maneuvers. Although few simulators can correctly model the dynamics of the tugboats, they still represent their actuation through the so-called \"vector tug model\". This is usually the case because it is expensive to run several integrated-simulators in real-time and the simulator centers do not have trained tugboat captains available. The vector tugs are usually represented as simplified external forces actuating on a vessel. The simplicity of such models causes a loss of realism during a maritime simulation due to the fact that neither the forces exerted on a towed vessel nor the tugboat\'s actuation position are accurate. In addition, tugboats\' actuation response time is usually not taken into account under the current vector tug models used on Ship Manoeuvring Simulators. The main objective of this work is to provide an innovative approach for vector tug actuation modeling in such a way that the towing force magnitude and actuation positions are accurate either in push or pull operation modes. The author will expand the static equilibrium model for tugboat force prediction presented in Brandner (1995) and Artyszuk (2014) and combine it along with optimization techniques in order to accurately obtain the tugboats\' actuation either working under the direct maneuver (i.e., tugboat uses solely its propeller power in order to exert force on a towed vessel) or working under the indirect maneuver (i.e., tugboats use the environmental disturbances and the hull drag in order to maximize their actuation force on a towed vessel). The implementation of the new mathematical model provides a new level of reality when vector tugs are used in Ship Manoeuvring Simulators.

O problema da localização e mapeamento simultâneos, conhecido como problema do SLAM, é um dos maiores desafios que a robótica móvel autônoma enfrenta atualmente. Esse problema surge devido à dificuldade que um robô apresenta ao navegar por um ambiente desconhecido, construindo um mapa das regiões por onde já passou ao mesmo tempo em que se localiza dentro dele. O acúmulo de erros gerados pela imprecisão dos sensores utilizados para estimar os estados de localização e mapeamento impede que sejam obtidos resultados confiáveis após períodos de navegação suficientemente longos. Algoritmos de SLAM procuram eliminar esses erros resolvendo ambos os problemas simultaneamente, utilizando as informações de uma etapa para aumentar a precisão dos resultados alcançados na outra e viceversa. Uma das maneiras de se alcançar isso se baseia no estabelecimento de marcos no ambiente que o robô pode utilizar como pontos de referência para se localizar conforme navega. Esse trabalho apresenta uma solução para o problema do SLAM que faz uso de um sensor de visão omnidirecional para estabelecer esses marcos. O uso de sistemas de visão permite a extração de marcos naturais ao ambiente que podem ser correspondidos de maneira robusta sob diferentes pontos de vista. A visão omnidirecional amplia o campo de visão do robô e com isso aumenta a quantidade de marcos observados a cada instante. Ao ser detectado o marco é adicionado ao mapa que robô possui do ambiente e, ao ser reconhecido, o robô pode utilizar essa informação para refinar suas estimativas de localização e mapeamento, eliminando os erros acumulados e conseguindo mantê-las precisas mesmo após longos períodos de navegação. Essa solução foi testada em situações reais de navegação, e os resultados mostram uma melhora significativa nos resultados alcançados em relação àqueles obtidos com a utilização direta das informações coletadas.

Neste trabalho é proposto e avaliado um sistema capaz de monitorar de forma não-destrutiva, não-invasiva, individualizada, em tempo real e em ambiente industrial, a qualidade de soldas produzidas através do processo de solda a ponto resistiva (PSPR), diminuindo ou mesmo eliminando a necessidade dos testes destrutivos, reduzindo custos e aumentando a produtividade. Este sistema de monitoramento é baseado em reconhecimento de padrões, através de redes neurais artificiais do tipo Perceptron multicamadas. As características do processo usadas na entrada da rede neural são os parâmetros ajustados de um modelo matemático parametrizável, criado com o intuito de refletir as propriedades fundamentais da grandeza do processo passível de ser medida e monitorada em tempo real, neste caso a curva de resistência dinâmica. Estes valores ajustados dos parâmetros do modelo são ainda relacionados com os estados ou condições do processo, de forma a permitir a identificação de possíveis causas para falhas detectadas. Para avaliar e validar este sistema, usaram-se dados reais obtidos na produção de lotes de contatos elétricos através do PSPR. Os resultados obtidos mostram que o sistema proposto é capaz de monitorar satisfatoriamente a qualidade do processo investigado, com erro médio quadrático de 16,5 N, na estimação da força de cisalhamento suportada pela solda, no pior caso. O sistema também mostrou-se capaz de identificar a causa para soldas cuja qualidade estimada foi considerada baixa, com taxa de acerto acima de 97%. Esse sistema proposto não contém especificidades de nenhum processo produtivo e, portanto, tem potencial para ser aplicado em outros processos, além do PSPR.

A combinação de lógica e probabilidade (lógicas probabilísticas) tem sido um tópico bastante estudado nas últimas décadas. A maioria de propostas para estes formalismos pressupõem que tanto as sentenças lógicas como as probabilidades sejam especificadas por especialistas. Entretanto, a crescente disponibilidade de dados relacionais sugere o uso de técnicas de aprendizado de máquina para produzir sentenças lógicas e estimar probabilidades. Este trabalho apresenta contribuições em termos de representação de conhecimento e aprendizado. Primeiro, uma linguagem lógica probabilística de primeira ordem é proposta. Em seguida, três algoritmos de aprendizado de lógica de descrição probabilística crALC são apresentados: um algoritmo probabilístico com ênfase na indução de sentenças baseada em classificadores Noisy-OR; um algoritmo que foca na indução de inclusões probabilísticas (componente probabilístico de crALC); um algoritmo de natureza probabilística que induz sentenças lógicas ou inclusões probabilísticas. As propostas de aprendizado são avaliadas em termos de acurácia em duas tarefas: no aprendizado de lógicas de descrição e no aprendizado de terminologias probabilísticas em crALC. Adicionalmente, são discutidas aplicações destes algoritmos em processos de recuperação de informação: duas abordagens para extensão semântica de consultas na Web usando ontologias probabilísticas são discutidas.

Neste trabalho são analisados os campos acústicos gerados por transdutores ultrassônicos planos e circulares, do tipo pistão plano, no modo pulso-eco, trabalhando como emissor e receptor de ondas, com freqüências de 1,6 MHz, 2,25 MHz e 5 MHz. As ondas emitidas por esses transdutores interagem com interfaces denominadas alvos, com diversas geometrias de superfícies, como planas e circulares, planas com cavidade do tipo alvéolo circular, e cone reto, todas compostas de alumínio e imersas em tanque com água. O campo acústico refletido varia de acordo com o tipo de geometria do alvo. Para essas analises foram produzidas e comparadas modelagens do campo acústico no software Matlab, por meio de dois modelos teóricos: método da resposta impulsiva e método da representação discreta. Foram analisados o tempo de computação produzido pelo método numérico com relação a discretização dos elementos de área do transdutor e do alvo, alem da influencia da conversão de modo nas respostas impulsivas simuladas para essas superfícies. Os resultados mostraram uma boa correlação entre os dois métodos teóricos, porem o de representação discreta possibilita o estudo em transdutores com geometria diferente do pistão plano, sem o uso de integrais complexas. As diferenças dos resultados experimentais e teóricos podem ser minimizadas por meio de uma escolha adequada da relação entre a discretização e comprimento de onda (Dx/), em que foi considerado um valor aceitável de erro relativo de 15% para Dx/ 0,68. Foi observado que o uso da conversão de modo na interface refletora influi apenas na amplitude do sinal de eco (atenuação) e não na forma do sinal.

Neste trabalho é proposto um dispositivo MEMS do tipo micro-transdutor acústico capacitivo, CMUT (sigla em inglês - Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer). Em vez de usar piezoeletricidade, o CMUT tem um array de capacitores, onde cada capacitor possui um eletrodo inferior fixo, uma cavidade e o eletrodo superior composto de uma placa flexível. Quando submetida a uma tensão CC adequada, a placa se deflete se aproximando do eletrodo inferior devido à força eletrostática. Assim a placa fica tensionada podendo vibrar quando excitada por uma tensão CA. Neste caso o CMUT opera como emissor de ondas acústicas. A placa também pode ser excitada por uma onda acústica agindo em sua superfície. Neste caso o dispositivo opera como sensor. Uma das contribuições desse trabalho é o processo de fabricação simplificado com o uso do fotorresiste SU-8 como parte da estrutura do dispositivo. Sua facilidade de processamento e suas propriedades físicas lhe conferem estabilidade e rigidez adequadas para tal fim. Foram realizadas modelagens e simulações analíticas e computacionais do comportamento da placa. Os resultados auxiliaram no melhor entendimento do comportamento do dispositivo sob tensão mecânica devido a uma carga ou uma tensão de polarização. Esses resultados também auxiliaram na definição de parâmetros iniciais do processo de fabricação. Durante o processo de fabricação, foram realizados diversos testes a fim de se encontrar o processo mais adequado à infraestrutura disponível. No processo escolhido, a base do dispositivo é fabricada num substrato de vidro com eletrodos inferiores de alumínio depositados por evaporação. Os pilares são fabricados em SU-8, depositado por spin coatting. A placa é colada posteriormente utilizando-se fotorresiste AZ. O AZ é depositado sobre um pedaço de folha de cobre ou alumínio. As duas partes são colocadas em contato e para promover a colagem é aplicada pressão durante a cura. As amostras foram caracterizadas eletricamente utilizando-se um medidor de impedância RCL. Foram levantadas curvas de impedância, capacitância e ângulo de fase em função da frequência (1 kHz a 1 MHz). Além do sinal CA utilizado pelo instrumento durante a medição foi aplicado um nível CC que variou conforme as dimensões dos protótipos. Também foram levantadas curvas de impedância, capacitância e angulo de fase em função de uma carga mecânica aplicada. Para valores de polarização mais elevados, foram montados circuitos específicos. Estes circuitos são capazes de polarizar o CMUT, aplicar um sinal CA para medição e proteger demais componentes e instrumentos dos aparatos de medição. O dispositivo respondeu bem a aplicação de carga mecânica, excitação por sinal CA e excitação com onda mecânica. Os resultados mostraram que o dispositivo apresenta bom potencial para ser aplicado na análise de fluidos.

Um micromecanismo é, essencialmente, um dispositivo de dimensões milimétricas ou até micrométricas que executa uma tarefa específica como atuar como garra, pinça, grampo, etc. Quando acoplados a um sistema eletrônico, são chamados de sistemas microeletromecânicos ou \"Micro-Electro-Mechanical Systems\" (MEMS). Esses dispositivos são quase todos constituídos por mecanismos flexíveis, onde o movimento é dado pela flexibilidade de sua estrutura, sem juntas e pinos. Uma das formas de atuação de micromecanismos é a eletrotermomecânica, onde uma atuação elétrica sobre o próprio mecanismo é convertida em calor, por efeito Joule, que gera tensões térmicas responsáveis pela deformação estrutural desejada. Recentemente, vários grupos de pesquisa no mundo estão desenvolvendo micromecanismos fabricados com dois (ou até mais) materiais, o que permite obter maiores deformações sem que seja excedido o limite de resistência do material e mais flexibilidade no projeto de micromecanismos que realizem diferentes tarefas quando sujeito a diversas atuações (multiflexíveis). As técnicas de processo de fabricação de micromecanismos atingiram um alto nível de maturidade. No entanto, a modelagem e, em particular, o desenvolvimento de métodos computacionais sistemáticos para o projeto estão ainda no seu estágio inicial. Atualmente, o projeto de micromecanismos com vários materiais vem sendo realizado por métodos de tentativa e erro, dependendo da intuição e experiência do projetista. Além disso, o projeto genérico de um MEMS eletrotermomecânico é uma tarefa complexa, que leva em conta conhecimentos multidisciplinares. Dessa forma, o objetivo desse trabalho de mestrado foi desenvolver um software para o projeto de MEMS multifásicos, atuados eletrotermicamente, usando um método de projeto genérico e sistemático, como o Método de Otimização Topológica (MOT). Utilizando um modelo de interpolação de material de função de pico, qualquer número de materiais pode ser considerado sem que haja aumento na quantidade de variáveis de projeto se comparado à otimização com apenas um material e vazio. Visando maximizar o deslocamento de saída contra uma peça de rigidez conhecida, foram projetados mecanismos atuados por tensão elétrica, alguns considerando multiflexibilidade. Um estudo da influência dos parâmetros da otimização foi realizado. Como uma alternativa à atuação eletrotermomecânica, foram projetados mecanismos atuados por fluxo de calor.

Neste trabalho foram usadas duas células ultrassônicas para a caracterização de emulsões de água em óleo, uma com linhas de retardo e a outra com espalhadores. Foi utilizado um transdutor ultrassônico comercial de 3,50 MHz, operando no modo pulso-eco, e as amostras testadas foram de água em óleo hidráulico, e de água em petróleo, com concentrações de água entre 0% e 50% em volume. A primeira célula permitiu medir as seguintes propriedades acústicas das amostras em função da concentração de água: velocidade de propagação, coeficiente de reflexão, impedância acústica, densidade e atenuação acústica. As primeiras quatro propriedades foram comparadas às obtidas pelo modelo teórico de misturas de Urick, resultando em uma diferença inferior a 2%. A atenuação acústica da água foi comparada com valores da literatura, tendo-se obtido um erro bastante maior. Com a segunda célula, foi realizado o monitoramento das emulsões, com a intenção de estudar a sensibilidade da célula e a estabilidade das emulsões em função da temperatura e da concentração de água. Para isto, foram utilizados os parâmetros: correlação cruzada, correlação cruzada com os sinais normalizados e energia de onda. Os resultados obtidos com a célula de espalhamento mostraram uma maior dependência com a concentração do que com o efeito de coalescência, o que sugere uma menor sensibilidade ao tamanho de gota. Inicial mente, foram realizados testes à temperatura de 25C, observando-se boa resolução para concentrações de água inferiores a 20% ao se empregar os métodos de correlação cruzada, e boa resolução em toda a faixa de concentrações medidas usando a energia de onda. Entretanto, após serem realizadas algumas modificações na célula, e na janela de análise dos sinais, a resolução aumentou para todos os parâmetros. Com a célula modificada, foram realizados experimentos às temperaturas de 20, 25 e 30C. As curvas de correlação cruzada e de energia de onda foram dependentes da concentração e independentes da temperatura (todas em superposição). Já a correlação cruzada com os sinais normalizados foi dependente de ambas as variáveis, sendo que, para cada temperatura, formaram-se retas de diferentes inclinações, cada vez mais negativa com o aumento da temperatura. O máximo desvio nas curvas de energia foi de 16%, nas de correlação cruzada foi de 6% e nas de correlação cruzada com os sinais normalizados foi de 0,37%. O modelo teórico sugeriu uma curva convexa para a velocidade de propagação e os resultados apresentaram um comportamento linear. No entanto, a partir do método proposto para o cálculo da velocidade, foram obtidos resultados coerentes, com uma diferença inferior a 2%.

O uso de modelos de manobras representa um auxilio importante no projeto de veículos marinhos, permitindo a verificação do desempenho destes veículos, desenvolver o sistema de piloto automático, dentre outras aplicações durante a fase de projeto. Na área de veículos submarinos, seus modelos são tradicionalmente baseados em equações de movimento que incluem expressões polinomiais para representar os esforços hidrodinâmicos. Estes modelos são derivados de uma expansão em série de Taylor de forças e momentos, sendo representados em função das variáveis de movimento. Entretanto, estes modelos limitam a representatividade dos esforços hidrodinâmicos, e, especialmente para os termos de segunda ou mais altas ordens, eles requerem ensaios custosos em tanque de provas para identificar corretamente cada um dos coeficientes polinomiais. Esta dependência em ensaios de tanque de provas tem um impacto critico, ou até mesmo não realístico, durante o desenvolvimento de veículos autônomos submarinos, AUVs, de baixo ou médio custo. Utilizando métodos atuais da fluidodinâmica computacional (CFD), este trabalho propõe um roteiro alternativo para definir os modelos de manobras não lineares para uma classe de AUVs. As simulações de CFD, verificados e validados por normas rigorosas, são utilizados como base para derivar as funções não lineares que representam os esforços hidrodinâmicos, devido variações na velocidade lateral, velocidade angular e deflexão dos lemes. A abordagem numérica é complementada pelo uso de modelos analíticos e semi-empíricos oriundos da indústria de mísseis, que tiveram que ser melhorados com informações retiradas das simulações de CFD. Ajustes adicionais e derivações nos intervalos de confiança para as estimativas produzidas por métodos numéricos também são fornecidos pelo uso de modelos analíticos e semi-empíricos. Adotando o AUV Pirajuba como caso de estudo, a validação dos modelos de manobra foi realizada em duas etapas. Primeiro, são comparadas as estimativas dos esforços hidrodinâmicos com as medições em tanque de provas de um modelo cativo, e em seguida a resposta dinâmica dos modelos de manobras são comparadas com aquelas obtidas por ensaios em mar, sempre utilizando critérios de verificação e validação. Este tipo de análise indicou uma validação dos esforços hidrodinâmicos e do movimento para grande parte dos ensaios, sendo que nos demais casos o AUV teve seu comportamento dinâmico bem reproduzido. Este resultado demonstra que a metodologia proposta pode ser utilizada para estimar o modelo de manobra de um AUV típico, gerando uma solução de menor custo para a fase de desenvolvimento destes veículos.

Neste trabalho foi utilizada a abordagem da dinâmica molecular para se estudar o fluxo de granalhas que ocorre no interior do reservatório de uma máquina de shot peening com sucção por indução. Com o auxílio do software LAMMPS, foram feitas oito simulações, variando o diâmetro das granalhas, o diâmetro da seção de saída do reservatório e o ângulo de inclinação das paredes da sua seção cônica. As forças entre as partículas foram modeladas de acordo com a teoria de Hertz-Mindlin e Coulomb. Utilizando-se o ensemble microcanônico granular, foram calculadas as coordenadas das partículas, que aliadas a considerações sobre as condições de contorno estabelecidas, eram utilizadas para estimar o fluxo de saída para cada conjunto de parâmetros. O cálculo foi realizado por um algoritmo implementado em Matlab, e seus resultados foram confrontados com aqueles obtidos através da aplicação da correlação de Beverloo. Para se estimar os efeitos da inclinação das paredes, dois coeficientes foram avaliados, o de Rose e Tanaka e o de Brown e Richards. Enquanto o erro máximo obtido através da aplicação do coeficiente de Rose e Tanaka foi igual a 13,07%, frente a 8,17% encontrados através da aplicação do coeficiente de Brown e Richards, os erros médios de ambas foram equivalentes (6,75% e 6,68%, respectivamente).

Sistemas de computação têm se tornado maiores e mais complexos com o objetivo de lidar com a vasta quantidade de dados disponíveis. Uma tarefa decisiva em tais sistemas é classificar estes dados, bem como extrair informação útil destes. Nesta dissertação, testam-se as redes lógicas de Markov como linguagem para especificação e aprendizado de classificadores automáticos de dados. Esta linguagem combina fragmentos da lógica de primeira ordem e modelos probabilísticos gráficos (redes de Markov) em uma única representação. A junção destas duas técnicas permite a modelagem de conhecimento relacional através da lógica, e também de incertezas por meio de probabilidades e grafos não-direcionados. Neste trabalho, classificadores são aprendidos segundo dois paradigmas de aprendizado de máquina: o supervisionado, foco desta dissertação, e também o aprendizado semi-supervisionado com restrições determinísticas. Para investigar a utilidade das redes lógicas de Markov no treinamento de classificadores, uma série de experimentos de aprendizado é desenvolvida a partir de bases de dados de treino reais disponíveis em repositórios na internet. Como ferramenta auxiliar nos experimentos, esta dissertação testa também o pacote Alchemy, que provê um conjunto de algoritmos para tarefas gerais de aprendizado de máquina e inferência probabilística em redes lógicas de Markov. Para mensurar o desempenho dos classificadores aprendidos, três métricas tradicionais são empregadas: acurácia, precisão e revocação. Os resultados alcançados com classificadores semi-supervisionados com restrições indicam que a linguagem ainda não é própria para este paradigma de aprendizado. Por outro lado, o êxito obtido no desempenho dos classificadores treinados de forma supervisionada sugere que as redes lógicas de Markov são um formalismo lógico-probabilístico promissor para aplicações de classificação, e devem ser objeto de pesquisas futuras.

Fluid diodes are devices that inhibit the fluid to flow from one environment to another and allowing in some cases the opposite direction to occur. A well-known example is the Tesla valve. There is a particular type of fluid diode used to minimize leakage in turbines and compressors called labyrinth seals, which optimization can bring major improvement related to CO2 and CH4 emissions. Topology optimization is a powerful tool, which has already been applied to design some plane 2D fluid diodes. So, with this environmental issue in mind and in order to find new efficient labyrinth seals, the scope of this work is to develop a new formulation of topology optimization to obtain innovative and non-intuitive designs of fluid diodes focused on labyrinth seals. As a first contribution, the formulation of topology optimization proposed in this work is based on the integer linear programming. In the current implementation of topology optimization for fluids considering density methods, there are essentially two problems. First, the gray scale in the result makes it difficult to identify the fluid mesh outline, which can be a problem in some applications and also during the optimization process. Second, even for low Reynolds flow design problems, a continuation scheme of the material model penalty parameters is necessary to avoid gray scale and to obtain clear solid/fluid boundaries. This work proposes a new methodology that solves these two problems, that is, it avoids gray scale and obtains clearer solid and fluid boundaries. In the labyrinth seal design, on the other hand, it presents fixed parts (stator) and rotational parts (axis), as well as a second contribution, a classification algorithm is implemented to identify parts belonging to the shaft and, thus, apply rotational boundary conditions to every solid that appears during topolgy optimization. Finally, an objective function considering some fluid-structure interaction is defined to prevent the appearance of islands, which are very common in this type of project, however, they are not acceptable in axysymmetric designs of labyrinth seals. Thus the defined multi-objective function contains terms of dissipation energy, vorticity and structural functions. Regarding the geometry of the labyrinth seal, the problem is modeled with a 2D swirl finite element model. The calculation of sensitivities and the linearization of the problem for optimization in integer variables is described. Numerical implementation is done in Python with the aid of finite element libraries (FEniCS) to calculate the direct and adjoint problem. The IBM proprietary optimization library (CPlex) is used as an optimization algorithm. As results, optimized labyrinth seal designs obtained according to the project objective are presented, varying the rotation, leakage patterns and aspect ratio of the project domain.

With the increase of computational power, ship maneuvering simulations have become an important tool to improve the safety of the operations carried at the sea. In this context, one of the most important categories of simulations made by the Numerical Offshore Tank (TPN-USP) is the Real-Time simulations, carried out in a Virtual Reality environment at the same time scale as a real maneuver. These simulations are used to evaluate maritime maneuvers\' risks and viability, but since they take a long time, only a few can be made per day. This work focuses on applying machine learning to create a tool for the TPN-USP maritime simulator that will be used to choose environmental conditions of wind, currents, local sea waves and swell for these simulations.

Sistemas de controle distribuídos cujas malhas são fechadas através de uma rede de comunicação são chamados de sistemas de controle distribuídos em redes de comunicação (NCS - Networked Control System). Este tipo de arquitetura permite a divisão do sistema de controle em módulos interconectados através da rede de comunicação, proporcionando a divisão do processamento, a redução de custo e de peso, além de facilitar o diagnóstico e manutenção do sistema e de aumentar a sua exibilidade e agilidade; e por isso seu emprego na indústria está se tornando comum (e.g., y-by-wire e drive-by-wire). Porém, a distribuição do processamento e a inserção de uma rede de comunicação aumenta a complexidade da análise e do projeto deste tipo de sistema. Um dos fatores que contribui para esse aumento da complexidade é a presença de atrasos aleatórios nos sinais de controle, causados pela dinâmica do sistema computacional (conjunto de hardware e software) que serve como plataforma para implementação do sistema de controle digital. Este trabalho faz um estudo sobre este tipo de sistema sob a perspectiva destes sinais com atrasos. Para isso, faz-se uso dos toolboxes para MATLAB: TrueTime e Jitterbug. Através destas ferramentas, mostra-se a existência de uma relação de compromisso entre o desempenho do controle e o desempenho do sistema computacional. Através deste estudo, é proposto uma solução de um sistema de controle do tipo NCS para um ROV (do inglês Remotely Operated Vehicle), modelado através de 6 equações diferenciais desacopladas não-lineares. Este tipo de veículo tem uma relevância econômica significativa para o Brasil, visto que é utilizado em operações de manutenção e instalação de plataformas de extração do petróleo que está depositado em profundidades que variam de mil a 2 mil metros. Para este NCS proposto, são utilizados controladores do tipo PI com estrutura feedback-feedfoward cujos parâmetros de projeto são obtidos em função dos atrasos inseridos pelo sistema computacional.