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A seguir são apresentados os principais projetos com participação ou coordenação de membros do GDS.
Controle e otimização em turbinas eólicas offshore para redução de vibração e monitoramento estrutural
Resumo
Este projeto tem como objetivo principal o desenvolvimento de técnicas de controle e otimização para redução de vibrações e monitoramento estrutural de turbinas eólicas offshore. O projeto é dividido em dois temas, conforme descrito a seguir.
Controle de vibrações e monitoramento estrutural de torres (Tema 1): O objetivo consiste no projeto e otimização de metaestruturas e metaestruturas inteligentes para atenuação de vibrações em torres eólicas offshore e, no último caso, na utilização da metaestrutura simultaneamente para monitoramento da integridade estrutural.
Interação entre controle do gerador elétrico e vibração torsional do sistema de transmissão eletromecânica (Tema 2): O objetivo principal deste tópico é avaliar os efeitos do controle de geradores, a partir de algoritmos de maximização do ponto de extração (MPPT) tipicamente aplicados em sistemas eólicos frente às variações do vento com aplicações offshore, nas vibrações mecânicas torcionais do sistema de potência.
- Coordenadora: Aline Souza de Paula
- Membros envolvidos:
- Financiador: CNPq
INCT Estruturas Inteligentes em Engenharia
Resumo
Os materiais inteligentes são caracterizados por um acoplamento multifísico que proporciona propriedades singulares de adaptabilidade. As aplicações são diversas variando nas áreas aeroespacial, robótica, bioengenharia, automobilística, dentre outras tantas. Uma busca por pesquisadores na plataforma Lattes do CNPq para “materiais inteligentes” forneceu a seguinte evolução: 323 em 2008; 575 em 2014; 1867 em 2022. Essa tendência mostra a importância do trabalho do INCT-Estruturas Inteligentes em Engenharia no período entre 2008 e 2014, exercendo um importante papel de consolidar essa filosofia de projeto no Brasil. A presente proposta pretende reativar e aumentar esta rede de pesquisa, consolidando o tema, buscando aplicações avançadas e fortalecendo a inovação tecnológica. De um lado, o perfil deste INCT se caracteriza pela realização de pesquisa em temas que se encontram na fronteira do conhecimento e, de outro, tem contribuído em áreas consideradas estratégicas para o desenvolvimento do país, tanto na criação de novas tecnologias, quanto na formação de pessoas nesta área. A metodologia de trabalho consiste na definição de um conjunto de subprojetos que buscam contemplar uma grande variedade de aplicações e abordagens relacionadas às Estruturas e Sistemas Inteligentes. Tais subprojetos exploram a experiência prévia dos grupos participantes e suas expectativas de avanço na pesquisa científica, além das potencialidades de inovação tecnológica em curto, médio e longo prazos. Os subprojetos desenvolvem atividades sinérgicas, incentivando estratégias inter e multidisciplinares, integrando as atividades do Instituto e evitando o isolamento dos grupos participantes.
- Coordenador:
- Membros envolvidos:
- Financiador:
Modelagem, análise e controle de sistemas mecânicos não-lineares
Resumo
A natureza está repleta de não-linearidades que são responsáveis pela diversidade de comportamentos dos sistemas naturais. Diversos sistemas dinâmicos são não-lineares em sua essência e uma investigação dinâmica adequada possui papel fundamental no projeto de sistemas, assim como auxiliam na identificação de padrões de respostas, na implementação de técnicas de controle e na previsão de tipos de comportamento. A resposta caótica é uma dessas possibilidades e possui três características importantes: sensibilidade às condições iniciais, presença de inúmeras órbitas periódicas instáveis (OPIs) e ergodicidade. Uma forma de conferir flexibilidade aos sistemas dinâmicos não-lineares é através do controle de caos. O controle de caos se baseia na riqueza de padrões periódicos existentes no comportamento caótico e pode ser entendido como a utilização de pequenas perturbações no sistema para estabilizar uma trajetória dentro desses comportamentos periódicos. Na área da engenharia mecânica, tem-se que vários sistemas são as não-lineares em sua essência e não permitem uma modelagem simplificada que os linearize quando se busca uma correta representação do fenômeno físico. Um exemplo são as turbinas eólicas offshore. Devido a próxima geração de turbinas eólicas serem cada vez mais esbeltas, e tendo em vista que os carregamentos dinâmicos em turbinas offshore têm a tendência de serem expressivos devido às maiores velocidades do vento e à ação das ondas do mar, as torres eólicas podem experimentar vibração não lineares. Outro exemplo são os sistemas rotativos presentes no setor industrial, como compressores, turbinas, motores e diversos outros. As vibrações, que são inerentes a esses sistemas, sejam por amplitudes excessivas ou por sua repetitividade, podem ser extremamente prejudicais ao sistema, podendo gerar falhas, perda de desempenho ou inviabilizar a operação do equipamento. A presença de não-linearidades pode agravar a situação por acarretar vibrações não esperadas considerando a análise clássica de sistemas lineares. Este projeto propõe o desenvolvimento de pesquisa em dinâmica não-linear, incluindo modelagem, análise dinâmica e controle, vislumbrando aplicações em turbinas eólicas e sistemas rotativos. Nessas duas temáticas, o estudo será realizado de forma mais abrangente, incluindo modelagem, análise dinâmica e controle. No que diz respeito ao controle ativo, pretende-se analisar o desempenho da combinação de técnicas de controle de caos, propor modificações em métodos existentes e realizar a implementação experimental
- Coordenadora: Aline Souza de Paula
- Membros envolvidos:
- Financiador:
Estruturas quase-periódicas e acoplamento de metamateriais para atenuação de vibrações
Resumo
A demanda de estruturas de engenharia que apresentam máxima rigidez com mínima massa e que também atendam critérios de desempenho de sua resposta dinâmica constitui um grande desafio para o projeto estrutural. Estruturas modernas são cada vez mais feitas a partir de materiais compósitos devido aos seus benefícios amplamente conhecidos. Entretanto, existe também uma crescente demanda para o desempenho vibroacústico de compósitos complexos serem devidamente modelados e otimizados. Uma grande quantidade de esforços tem sido empreendida nas últimas décadas no estudo do comportamento de propagação de ondas em estruturas periódicas. Entretanto, existe uma grande categoria de estruturas com caraterísticas e parâmetros de projeto que variam espacialmente em uma determinada direção (e.g., estruturas de asa e cascas cônicas) e que podem ser caracterizadas como estruturas gradiente ou quase-periódicas. É importante enfatizar que atualmente não existem nenhuma técnica ou método reconhecidamente eficiente para a modelagem acurada da propagação de ondas neste tipo de geometrias, apesar do fato delas estarem presentes em uma grande variedade de aplicações industriais. A falta de técnicas computacionais é ainda maior na medida em que o projetista tem de lidar com estruturas gradiente multicamadas, de tal maneira que se fica restrito ao método clássico de Elementos Finitos, o que pode ser proibitivo para otimização da resposta dinâmica em termos de custo computacional. Além do mais, trabalhos recentes têm demonstrado que estruturas quase-periódicas podem ter desempenho superior na atenuação de vibração do que a utilização de estruturas periódicas. Este projeto tem por objetivo investigar os efeitos da quase-periodicidade e de acoplamento de metamateriais no desempenho de bandas de isolamento, ou band gaps. Serão desenvolvidas abordagens numéricas eficientes para a simulação de propagação de ondas em estruturas quase-periódicas. Espera-se contribuir na modelagem de guias de ondas e estruturas periódicas que levem em conta incertezas e variabilidade espacialmente distribuídas, com enfoque no desempenho das bandas de isolamento de vibrações.
- Coordenador: Adriano Todorovic Fabro
- Membros envolvidos: Daniely Amorim das Neves, Pedro Henrique de Melo Casado Matos, George Andre Pacheco Casanova, Igor Gaviano Tavares, Égiton Bruno Machado Vargas.
- Financiador: CNPq
Dinâmica não-linear e controle de biossistemas
Resumo
A bioinspiração é uma filosofia de projeto que usa a natureza como fonte de inspiração, tendo crescido nos últimos anos e apresentado grande repercussão na concepção de sistemas mecânicos e estruturais inovadores. Este projeto de pesquisa propõe investigar a dinâmica não-linear e o controle de biosistemas. A bioinspiração e a perspectiva dinâmica não-linear são os principais aspectos motivadores para conceber sistemas inovadores para diversas aplicações. Aspectos científicos e tecnológicos são explorados tratando da modelagem, simulação, experimentação de sistemas mecânicos e biomecânicos. Temas como a dinâmica não-linear, caos, controle, e procedimentos numéricos são investigados vislumbrando aplicações em estruturas em geral e em aplicações biomédicas. O controle de sistemas cardíacos e a colheita de energia mecânica são alguns temas específicos que serão investigados. Este projeto de pesquisa visa promover e consolidar uma cooperação científica internacional entre a Universidade de Turku (Finlândia) e Universidades Brasileiras, tendo a Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE Engenharia Mecânica Centro de Mecânica Não-Linear) como sede no Brasil.
- Coordenador: Marcelo Savi (UFRJ)
- Membros envolvidos: Aline Souza de Paula
- Financiador:
Análise e atenuação de vibrações em sistemas rotativos na presença de não-linearidade
Resumo
Vibrações torcionais são inerentes a diversos sistemas rotativos presentes no setor industrial, como compressores, turbinas, motores e diversos outros. Essas vibrações, sejam por amplitudes excessivas ou por sua repetitividade, podem ser extremamente prejudicais ao sistema, podendo gerar falhas, perda de desempenho ou inviabilizar a operação do equipamento. A presença de não-linearidades pode agravar a situação por acarretar vibrações não esperadas considerando a análise clássica de sistemas lineares, comumente aplicadas na indústria. Neste projeto, dois sistemas rotativos são investigados visando avaliar as situações críticas de operação, sobretudo as ocasionadas por não-linearidades. O primeiro sistema consiste no eixo de um compressor alternativo. Nesse caso, as não-linearidades são inerentes à dinâmica do sistema tendo em vista uma inércia que varia com a rotação. O estudo desse sistema é motivado por um problema industrial que resultou na parada do equipamento devido a vibrações excessivas em frequências não-excitadas. Esse fenômeno só pode ser explicado devido a presença de não-linearidades. O segundo sistema consiste no sistema de transmissão eletromecânico de uma turbina eólica. Nesse caso, as não-linearidades surgem devido ao desgaste de componentes que geram folgas excessivas no engrenamento. Pretende-se avaliar de que forma as vibrações torcionais ocasionadas por essas falhas comprometem a qualidade de energia gerada. A análise desses dois sistemas é voltada para o entendimento dos fenômenos provenientes da presença de não-linearidade que afetam o funcionamento adequado dos equipamentos. Esses fenômenos muitas vezes não podem ser evitados, tornando-se importante formas de atenuar essas vibrações. Desta forma, neste projeto propõe-se ainda a utilização de metamateriais (ressonadores periódicos) para atenuar vibrações em rotores. Tem-se como objetivo aplicar metamateriais não-lineares para redução de vibrações que possuam desempenho superior aos lineares.
- Coordenadora: Aline Souza de Paula
- Membros envolvidos:
- Financiador:
Meninas Velozes
Resumo
O projeto Meninas Velozes foi iniciado no início de 2013 sendo estruturado em três eixos: Equidade de gênero e social, fortalecimento de base acadêmica e motivação para a área das engenharias. Atualmente o grupo possui também duas linhas de trabalho que se complementam: (i) Aspectos em Ciências, Tecnologias, Engenharia e Matemática (STEM); (ii) Aspectos psicossociais. O projeto tem por objetivo motivar jovens mulheres de escola pública de ensino médio, de região de baixo índice de desenvolvimento do DF a continuarem seus estudos, optando por carreiras na área de exatas ou, pelo menos, abrindo-lhes a possibilidade de considerarem a realização de um curso de nível superior. São articuladas atividades com apoio de estudantes de graduação, envolvendo também pesquisa, extensão e ensino. São utilizadas metodologias ativas de aprendizagem, explorando conceitos relacionados a diferentes engenharias, bem como sensibilizações nos temas das desigualdades de gênero, raça, classe e juventude no país e no DF.
- Coordenador:
- Membros envolvidos:
- Financiador:
Periodic structure design and optimization for enhanced vibroacoustic performance: ENVIBRO
Resumo
- Resumo: This proposal combines the efforts of research groups from the University of Sao Paulo, State University of Sao Paulo, University of Campinas, Technological Institute of Aeronautics and a number of international collaborators to investigate periodic structures in the context of phononic materials and elastic/acoustic metamaterials. Phononic materials and elastic/acoustic metamaterials can be tailored so that they exhibit specific behavior, such as wave focusing and funneling, diode mechanisms, frequency bandgaps, and energy localization, not observed in natural materials. They have great potential to replace traditional materials in demanding engineering applications and to pave the way for innovative solutions of several engineering problems. The proposal is organized in four work packages to address current scientific challenges related to nearly periodic and coupled structures, design and optimization of metastructures, nonlinear periodic structures and smart metastructures. The intersections of the work packages and the expected achievements have great potential to enable new insights as well as applications with relevant scientific and technological innovation for Mechanical and Aerospace Engineering problems. The distributed nature of the research team in the State of Sao Paulo will ensure that a wide network of researchers in the relatively new area of metamaterials will be formed. This will help to nurture the next generation of Brazilian engineers in this important area.
- Coordenador: Carlos de Marqui Junior (USP).
- Docente do GDS envolvido: Adriano Todorovic Fabro.
- Financiador: FAPESP.
Desenvolvimento de Técnica de Medidas Indiretas de Características de Escoamentos Multifásicos a partir de Análise de Sinais de Assinatura de Pressão
Resumo
- Resumo:A medição de vazão multifásica e detecção de padrões de escoamento tem envidado esforços de diversos setores industriais tanto na produção de petróleo, quanto na indústria nuclear e de produção de alimentos. Entretanto, até o momento apenas técnicas caras, que envolvem técnicas complexas como raios gama ou micro-ondas e técnicas invasivas e intrusivas se mostraram relativamente eficientes no que se propõem. Entretanto, a análise de características de escoamentos multifásicos por sinais de pressão é uma técnica simples e não é uma novidade, e que pode levar a bons resultados se bem desenvolvida, e com a vantagem de ser de aplicação direta em campos de petróleo novos ou já produzindo por necessitar apenas de tomadas de pressão, estas já existentes para outras inalidades. Apesar de tudo, até o momento os trabalhos sobre assinaturas de pressão, em sua grande maioria, não apresentam uma análise conjunta da modelagem de tais escoamentos e da análise de sinais aplicada. Pecando assim, por muitas vezes serem restritos a um determinado banco de dados e aparato experimental. Assim, pela falta de uma análise física mais apropriada, os diversos autores têm utilizado técnicas como redes neurais para, a partir do sinal de pressão e outros sinais, como vibração estrutural definir o padrão de escoamento interno a um tubo. Nesse ponto, este projeto propõe a utilização de sinais de assinatura de pressão, transformadas de Gabor e modelos de escoamento multifásico baseados em modelos de deslizamento levantar experimentalmente características do escoamento multifásico como padrao de escoamento e frações de fase. Este projeto tem como objetivo o estudo da aplicabilidade de medidas de pressão diferencial em escoamentos multifásicos a altas taxas de aquisição, conhecidas como assinaturas temporais de pressão, e vibrações da tubulação induzidas por escoamentos (Flow-InducedVibration) na identificação de padrões de escoamento assim como na estimativa de propriedades típicas dos escoamentos como frações de fases e velocidades in situ.
- Coordenador: Marcelo S de Castro (UNICAMP).
- Docente do GDS envolvido: Adriano Todorvic Fabro.
- Discentes envolvidos: Daniely Amorim das Neves, Pedro Henrique de Melo Casado Matos.
- Financiador: Petrobrás.