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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.18.2008.tde-28082009-170649
Documento
Autor
Nome completo
Heinsten Frederich Leal dos Santos
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2008
Orientador
Banca examinadora
Trindade, Marcelo Areias (Presidente)
Rade, Domingos Alves
Varoto, Paulo Sergio
Título em português
Controle de vibrações estruturais usando cerâmica piezoelétricas em extensão e cisalhamento conectadas a circuitos híbridos ativo-passivos
Palavras-chave em português
APPN
Circuitos shunt ativo-passivos
Controle de vibrações
Elementos finitos
Materiais piezoelétricos
Resumo em português
Esta dissertação apresenta uma análise numérica do controle de vibrações estruturais através de cerâmicas piezoelétricas em extensão e em cisalhamento conectadas a circuitos ativo-passivos compostos por resistência, indutância e fonte de tensão. Para tal, um modelo de elementos finitos de vigas sanduíche com três camadas elásticas e/ou piezoelétricas foi desenvolvido. Realizou-se também uma modelagem dos componentes do circuito elétrico e seu acoplamento à estrutura gerando assim uma equação de movimento acoplada para a estrutura com elementos piezoelétricos conectados aos circuitos elétricos. Uma análise harmônica das equações obtidas foi realizada para se obter uma avaliação preliminar dos efeitos causados pelos componentes elétricos do circuito na estrutura. Observou-se que os elementos passivos do circuito, resistência e indutância, tem não somente um efeito de absorvedor dinâmico de vibrações mas, também, promovem uma amplificação da autoridade de controle no caso de se atuar através da fonte de tensão. Usando a metodologia tradicional de projeto de absorvedores dinâmicos de vibrações, derivou-se expressões para os valores de resistência e indutância de modo a maximizar o desempenho passivo do sistema. Uma análise numérica do desempenho na redução das amplitudes de vibração em um viga engastada-livre com uma cerâmica piezoelétrica em extensão ou cisalhamento foi realizada mostrando bons resultados. Em seguida, uma análise da autoridade de controle para estas estruturas foi realizada visando a implementação de um controle híbrido ativo-passivo. A parcela ativa do controle foi obtida usando-se uma estratégia de controle por retroalimentação ótima do tipo linear quadratic regulator para calcular a tensão aplicada ao circuito. Uma comparação entre os resultados mostra que o controle híbrido ativo-passivo é sempre superior aos controles puramente ativos ou passivo para os dois casos estudados, com cerâmicas piezoelétricas em extensão e cisalhamento.
Título em inglês
Structural vibration control using piezoceramics in extension and shear connected to hybrid active-passive circuits
Palavras-chave em inglês
APPN
Finite elements
Piezoelectric materials
Shunt circuits active-passive
Vibration control
Resumo em inglês
This work presents a numerical analysis of the structural vibration control using piezoelectric materials in extension and shear mode connected to active-passive electric circuits composed of the resistance, inductance and voltage source. For that, a finite element model for sandwich beams with three elastic or piezoelectric layers was developed. A modeling of the electric circuit dynamics and its coupling to the structure with piezoelectric elements was also done. A harmonic analysis of the resulting equations was performed to yield a preliminary evaluation of the effects caused by the electric circuit components on the structure. It was observed that the passive circuit components not only lead to a dynamic vibration absorber effect but also to an amplification of the control authority in case of actuation using the voltage source. Using the standard methodology for the design of dynamic vibration absorbers, expressions were derived for the resistance and inductance values that optimize the passive vibration control performance of the system. A numerical analysis of the passive vibration control was performed for cantilever beams with extension and shear piezoelectric ceramics showing satisfactory results. Then, an analysis of the control authority was carried out for the same structures aiming at an active-passive vibration control. The active control was achieved using a linear quadratic regulator optimal feedback strategy to evaluate the voltage applied to the circuit. A comparison between the obtained results show that hybrid active-passive control is always superior to the purely active or purely passive control for both cases studied, with extension and shear piezoelectric ceramics.
 
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Data de Publicação
2009-09-15
 
AVISO: O material descrito abaixo refere-se a trabalhos decorrentes desta tese ou dissertação. O conteúdo desses trabalhos é de inteira responsabilidade do autor da tese ou dissertação.
  • SANTOS, H.F.L., and TRINDADE, M.A. Modeling of a sandwich beam with thickness-shear active-passive piezoelectric networks. In 19th ABCM International Congress of Mechanical Engineering (COBEM 2007), Brasília, 2007. Proceeding of the 19th International Congress of Mechanical Engineering., 2007.
  • TRINDADE, M. A., et al. Structural vibration control using piezoelectric materials. In Brazil AFOSR Workshop on Advanced Structural Mechanics and Computational Mathematics, Campinas, 2008. Brazil AFOSR Workshop on Advanced Structural Mechanics and Computational Mathematics. : UNICAMP/AFOSR, 2008.
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