Materiais e Estruturas Inteligentes

CON10-1693 - A CONSTITUTIVE MODEL FOR TRANSFORMATION INDUCED PLASTICITY IN SHAPE MEMORY ALLOYS
Savi, Marcelo Amorim¹; Oliveira, Sergio A.¹; Dornelas, Vanderson M.¹; Paiva, Alberto¹; Pacheco, Pedro M. C. L.^2
1COPPE/UFRJ; ²CEFET/RJ
Resumo: Transformation Induced Plasticity (TRIP) is widely defined in the literature as the plastic flow arising from solid state phase transformation processes involving volume and/or shape changes without overlapping the yield surface. This phenomenon occurs in the Shape Memory Alloys (SMAs) having significant influence over their macroscopic thermomechanical behavior. Recent studies propose some constitutive theories to describe this phenomenon and its particular features inherent to SMAs. The present contribution presents a macroscopic one-dimensional constitutive model with internal constraints, which accounts for TRIP, plasticity, plastic-phase transformation coupling and tension-compression asymmetry. Comparisons between numerical and experimental results attest the model's capability to capture TRIP phenomenon. Moreover, numerical simulations are conducted in order to evaluate saturation mechanisms during cyclic loadings.
Palavras-chave: Shape memory alloys; Smart materials; Transformation induced plasticity; Plasticity.
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CON10-1691 - A THREE-DIMENSIONAL PHENOMENOLOGICAL MODEL FOR SHAPE MEMORY ALLOYS
Oliveira, Sergio de Almeida¹; Savi, Marcelo Amorim^1
1COPPE/UFRJ
Resumo: Literature presents numerous constitutive models that describe the phenomenological features of the thermomechanical behavior of shape memory alloys (SMAs). The present paper introduces a novel three-dimensional constitutive model that describes the martensitic phase transformations within the scope of standard generalized materials. The model is capable of describing the main features of the thermomechanical behavior of SMAs by considering four macroscopic phases associated with austenitic phase and three variants of martensite. A numerical procedure is proposed to deal with the nonlinearities of the model. Numerical simulations are carried out dealing with uniaxial and multiaxial single-point tests showing the capability of the introduced model to describe the general behavior of SMAs.
Palavras-chave: Shape memory alloys; Smart materials; Constitutive model; Numerical simulation.
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CON10-2190 - ABSORVEDORES DE VIBRAÇÕES UTILIZANDO LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA - RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Aguiar, Ricardo Alexandre Amar¹; Savi, Marcelo Amorim²; Pacheco, Pedro Manuel Calas Lopes^1
1CEFET/RJ; ²UFRJ
Resumo: A redução de vibrações é um problema importante em diferentes aplicações de engenharia. As ligas com memória de forma (SMAs) estão sendo usadas para atenuar vibrações em vários sistemas mecânicos. Em linhas gerais, busca-se explorar a sua capacidade de dissipação de energia associada ao laço de histerese e a sua habilidade de alterar as propriedades mecânicas devido a variação de temperatura, o que modifica o comportamento dinâmico do sistema. Este trabalho apresenta um estudo experimental do comportamento dinâmico de um absorvedor dinâmico de vibrações usando SMAs. Para a realização do estudo foi projetado e construído um aparato experimental composto de carros de baixo atrito montados em um trilho linear e presos por molas helicoidais lineares e de SMA. O sistema é excitado por um shaker que produz uma excitação harmônica. Vários sensores são utilizados para a aquisição de dados e diversos carregamentos termomecânicos são considerados. Os resultados mostram a capacidade do absorvedor com SMA de reduzir as vibrações do sistema primário. Além disso, os resultados mostram a potencialidade do uso das SMAs para o desenvolvimento de absorvedores dinâmicos de vibrações no controle de estruturas e equipamentos, sendo mais flexíveis que os absorvedores clássicos
Palavras-chave: Absorvedores de Vibração; Ligas com Memória de Forma; Resultados Experimentais.
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CON10-0748 - ANÁLISE AEROELÁSTICA DO FENÔMENO DE BLADE SAILING EM HELICÓPTEROS SOB O EFEITO DE DISPOSITIVOS MAGNETOREOLÓGICOS.
Castão, Kleber Augusto Lisboa¹; Ramos, Roberto Luiz da Cunha Barroso¹; Góes, Luis Carlos Sandoval^1
1ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Resumo: Este artigo analisa a resposta ao fenômeno de Blade Sailing em um helicóptero, sob efeito de amortecedores magnetoreológicos (MRD), na presença de efeitos não estacionários do escoamento. Tal fenômeno consiste no aumento da sustentação da pá do helicóptero em baixas rotações do motor e em condições adversas de vento, o que pode causar grandes deflexões na mesma, permitindo o impacto com a fuselagem. A análise aeroelástica incide sobre o desempenho de um dispositivo de controle semi-ativo no que diz respeito à redução do movimento de flapping em rotores articulados durante as operações de parada e/ou partida do rotor, buscando eliminar o fenômeno Blade Sailing, principalmente em operação embarcadas. O efeito do MRD no sistema, que é o aumento do amortecimento estrutural para melhorar o comportamento da pá em condições adversas de vento será apresentado e um controle em malha aberta é realizado. Os resultados das simulações mostram que a inclusão do MRD no modelo aeroelástico proposto pode eliminar a possibilidade de a pá atingir o túnel (nos casos de helicópteros Tanden rotor) ou que a pá do helicóptero atinja a cauda e também que há uma redução significativa na deformação da pá para cima em condições não estacionarias de vento.
Palavras-chave: Aeroservoelasticidade; Blade Sailing; Dispositivos Magnetoreológicos; Controle.
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CON10-1105 - ANÁLISE DINÂMICA E CALORIMÉTRICA DO EFEITO MEMÓRIA DE FORMA EM FIOS DE TI-NI
Oliveira, Carlos Augusto¹; Gonzalez, Cezar Henrique¹; Silva, Niédson¹; Urtiga, Severino Leopoldino¹; Pina, Euclides Cabral¹; Araújo Filho, Oscar Olimpio^1
1UFPE
Resumo: O comportamento termoelástico das ligas com memória de forma torna possível o emprego de suas propriedades funcionais em atividades destinadas à função de sensores/atuadores. A indústria mecânica, robótica e a medicina são algumas das principais áreas onde são encontrados os mais notáveis exemplos de aplicações. Estas aplicações se objetivam na tentativa de miniaturizar os elementos mantendo sempre uma boa relação entre massa e força. Este trabalho é baseado na análise do comportamento dinâmico de atuadores com a forma de fios. Estes atuadores são obtidos por meio da prévia seleção de tratamentos térmicos. O desenvolvimento deste estudo se dá pela pesquisa dos resultados de técnicas de caracterização como a calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise dinâmico-mecânica (DMA) e a difração de raios-X. Entre os principais resultados esperados, procura-se determinar o comportamento do fio mediante solicitações dinâmicas e termicas, fazendo comparações com os resultados da difração de raios-X e calorimetria.tuadores são obtidos por meio da prévia seleção de tratamentos térmicos. O desenvolvimento deste estudo se dá pela pesquisa dos resultados de técnicas de caracterização como a calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise dinâmico-mecânica (DMA) e a difração de raios-X. Entre os principais resultados esperados, procura-se determinar o comportamento do fio mediante solicitações dinâmicas e termicas, fazendo comparações com os resultados da difração de raios-X e calorimetria.
Palavras-chave: Ligas de Ti-Ni; análise dinâmico-mecânica; Difração de raios-X; Fase R.
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CON10-2160 - BANCADA EXPERIMENTAL PARA AVALIAÇÃO DE PARÂMETROS DE AMORTECEDORES MAGNETO-REOLÓGICOS
Lima, Alexandre Silva de¹; Dutra, Max Suell²; Pinto, Fernando Castro²; Pina Filho, Armando Carlos de^3
1CEFET-RJ; ²COPPE/UFRJ; ³UFRJ
Resumo: A metodologia dos ensaios experimentais com o amortecedor magneto-reológico (MR) é impor diferentes deslocamentos quando este é submetido a diferentes valores de tensão, resultando em diferentes intensidades do campo magnético. Esses diferentes deslocamentos impostos são obtidos através do sinal senoidal de excitação na extremidade do amortecedor. Esta excitação senoidal pode ser obtida através de três meios principais: um excitador de força eletro-mecânico, uma máquina de ensaios cíclicos e um atuador hidráulico. Através dos valores obtidos são gerados gráficos com a finalidade de levantar os parâmetros do amortecedor MR, com o propósito de aplicá-los na sua modelagem matemática. Neste trabalho é apresentada a construção de uma bancada hidráulica para a modelagem experimental do amortecedor MR, baseado no movimento de um atuador hidráulico do tipo cilindro de dupla ação, controlado através do computador. Através desse ensaio são formulados os gráficos de comportamento do amortecedor MR.
Palavras-chave: Amortecedor magneto-reológico; modelagem experimental; atuador hidráulico; sinal senoidal.
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CON10-0693 - CARACTERIZAÇÃO DE FIOS DE TINI COM EFEITO MEMÓRIA DE FORMA VIABILIZANDO FABRICAÇÃO DE MOLAS HELICOIDAIS.
Pina, Euclides Apolinário Cabral de¹; Oliveira, Carlos Augusto do Nascimento¹; de Araújo Filho, Oscar Olimpio¹; Urtiga Filho, Severino Leopoldina¹; Gonzalez, Cezar Henrique^1
1Universidade Federal de Pernambuco
Resumo: Quando submetidas a um procedimento térmico apropriado, as ligas com efeito memória de forma apresentam a capacidade de retornar a uma forma anteriormente imposta ao material, através da transformação martensítica inversa. Tais materiais podem ser pseudoplasticamente deformados a uma temperatura relativamente baixa e, quando expostos a temperaturas mais altas, retornam a forma inicial antes da deformação. As ligas de TiNi são uma classe importante de forma ligas memória da forma (SMA). Exibem não somente o efeito memória de forma (SME), mas igualmente pseudoelasticidade incomum e altas capacidades de amortecimento. Estas propriedades junto com sua ductilidade superior, resistência, resistência a fatiga e a corrosão, conduziram a muitas aplicações, entre os quais o uso na manufatura do fio dá forma a figuras proeminentes. Nas aplicações os fios Ti-Ni SMA são produzidos geralmente como as molas de fio, os fios ocos e as várias formas não regular. Este trabalho tem como objetivo efetuar a caracterização do fio comercial de TiNi de 1,27 mm de diâmetro com efeito memória de forma para desenvolvimento de molas helicoidais com função de sensor/atuador. Após caracterização, as temperaturas de transformação, a presença de precipitados, grau de amortecimento, tensão máxima de ruptura, o módulo de elasticidade, a presença da fase R, o comportamento da liga sob tensão, serão analisados e comparados em cada situação. Para a caracterização foram utilizados vários métodos entre eles: tratamentos térmicos, Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Ensaios de Tração, Análise Dinâmica Mecânica (DMA), Difração de raios-X, Ciclagens Termomecânica. Os fios foram cortados em pequenos pedaços e submetidos a tratamentos térmicos com variação de tempo em fornos de mufla e têmpera em água a 25oC. Foram realizados ensaios num calorímetro diferencial de varredura da marca Mettler, modelo 823e, com os seguintes parâmetros de varredura: dois ciclos térmicos no intervalo de temperatura entre -40°C e 110°C, empregando uma taxa de 10°C/min. Os ensaios de DMA foram realizados em amostras em forma de mola e fios com taxa de aquecimento de 5°C e 10°C por minutos. Palavras chave: ligas Ti-Ni, caracterização, efeito memória de forma, fase R, ciclagens termomecânica.
Palavras-chave: ligas Ti-Ni; caracterização; efeito memória de forma; fase R; ciclagens termomecânica..
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CON10-0946 - CARACTERIZAÇÃO DE LIGAS A BASE DE COBRE COM EFEITO MEMÓRIA DE FORMA
Tenório, Tarsila¹; Gonzalez, Cezar Henrique¹; Silva, Karla Carolina Alves^1
1Universidade Federal de Pernambuco
Resumo: O presente trabalho estudou as propriedades termoelásticas em monocristiais das ligas Cu-Al-Be e Cu-Zn-Al com efeito memória de forma. Foram realizados tratamentos térmicos que induzem nas ligas as propriedades termoelásticas responsáveis pelo efeito memória de forma e pela pseudoelasticidade. Para caracterizar as ligas foram utilizadas as seguintes técnicas de caracterização: calorimetria diferencial de varredura (DSC), microscopia ótica e ensaio de tração. Através do DSC, as ligas foram submetidas a múltiplos ciclos de aquecimento e resfriamento. Este equipamento forneceu as temperaturas críticas de transformação martensita das ligas, a amplitude de histerese térmica e a entalpia de transformação. A microscopia ótica confirmou os resultados obtidos no DSC, pois apresentou a fase austenítica na temperatura ambiente. A utilização dos ensaios de tração possibilitaram estabelecer a relação tensão-temperatura de transformação das fases, segundo a lei de Clausius-Clayperon, para cada liga estudada.
Palavras-chave: Propriedades termoelásticas; Efeito memória de forma; Caracterização; Tensão-deformação.
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CON10-0025 - CARACTERIZAÇÃO DO MECANISMO DE DESGASTE ABRASIVO PRESENTE EM LIGAS INOXIDÁVEIS FE-MN-SI-CR-NI COM EFEITO DE MEMÓRIA DE FORMA - PARTE 1: INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE AUSTENITIZAÇÃO
Silva, Christian Egidio¹; Otubo, Jorge^2
1ITA/GERDAU; ²ITA
Resumo: Foi analisado o comportamento de desgaste por deslizamento em dois aços inoxidáveis que apresentaram efeito de memória de forma usando ensaio tribológico do tipo pino-contra-lixa. Foram ensaiados pinos com duas composições químicas distintas após serem submetidos a austenitização nas temperaturas de 900º e 1.050ºC, seguidos de resfriamento forçado em água na temperatura ambiente. A caracterização das superfícies desgastadas foi feita por meio de observações em microscópio eletrônico de varredura, microscópio ótico e estereomicroscópio, sendo conduzida também uma avaliação do perfil de rugosidade das superfícies antes e após o ensaio. Foi avaliada a perda de massa e respectivas taxas de desgaste globais após a realização do ensaio. Os resultados revelaram que o aumento da temperatura de austenitização proporcionou um ligeiro incremento da taxa de desgaste para os dois materiais avaliados - entre 2% e 3% quando a temperatura é alterada de 900ºC para 1.050ºC. A composição química exerce influência muito mais significativa no mecanismo de desgaste do que a temperatura de austenitização.
Palavras-chave: Desgaste; Aço inoxidável; Fe-Mn-Si-Cr-Ni; Efeito de memória de forma; Austenitização.
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CON10-0026 - CARACTERIZAÇÃO DO MECANISMO DE DESGASTE ABRASIVO PRESENTE EM LIGAS INOXIDÁVEIS FE-MN-SI-CR-NI COM EFEITO DE MEMÓRIA DE FORMA - PARTE 2: INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA E EVOLUÇÃO DA TAXA DE DESGASTE
Silva, Christian Egidio¹; Otubo, Jorge^2
1ITA/GERDAU; ²ITA
Resumo: Foi analisada a influência da composição química e da temperatura de austenitização no comportamento de desgaste por deslizamento em dois aços inoxidáveis que apresentaram efeito de memória de forma usando ensaio tribológico do tipo pino-contra-lixa. Foram ensaiados pinos com composição química Fe-10,3Mn-5,3Si-9,9Cr-4,9Ni- 0,006C e Fe-14,2Mn-5,3Si-8,8Cr-4,6Ni-0,008C após serem submetidos a austenitização nas temperaturas de 900º e 1.050ºC, seguidos de resfriamento forçado em água na temperatura ambiente. As superfícies desgastadas foram avaliadas através de observações em microscópio ótico e estereomicroscópio. O perfil de rugosidade foi analisado através de microscópio ótico acoplado a um analisador de imagens. A taxa de desgaste (massa perdida por distância percorrida) foi avaliada após consecutivos ciclos de ensaio para avaliar a evolução da taxa de desgaste com o tempo. A liga com menos manganês e mais cromo apresenta uma resistência ao desgaste consideravelmente superior (entre 17,5% e 18,9% melhor). O aumento da temperatura de austenitização proporcionou um ligeiro incremento da taxa de desgaste (piorou entre 3,0% e 4,1%). A composição química exerce influência muito mais significativa no mecanismo de desgaste do que a temperatura de austenitização.
Palavras-chave: Desgaste; Aço inoxidável; Fe-Mn-Si-Ni-Cr; Efeito de memória de forma; Composição química.
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CON10-2349 - COMPORTAMENTO TERMOMECÂNICO DE FIOS NITINOL MICROSOLDADOS POR DESCARGA CAPACITIVA: UM ESTUDO EXPERIMENTAL
Silva, José Geraldo Vicente da¹; Grassi, Estephanie Nobre Dantas¹; Araújo, Carlos José de^1
1UFCG
Resumo: A operação de soldagem de fios de ligas com memória de forma (LMF) pode permitir a fabricação de atuadores de formatos complexos, que seriam difíceis de obter por técnicas de usinagem convencionais. Neste trabalho fios atuadores de NiTi com propriedade de memória de forma, de diâmetros de 0,290 e 0,450 mm, foram soldados por descarga capacitiva usando uma microsoldadora digital SMP 3000 GOLD (Kernit). O comportamento termomecânico e as propriedades de módulo de armazenamento e amortecimento dos fios atuadores soldados foram avaliadas sob carregamento dinâmico com uma frequência de oscilação de 1,0 Hz e variação de temperatura, usando como referência ensaios realizados com fios contínuos, isentos de solda. Para esta caracterização foram utilizados os equipamentos de análise dinâmico-mecânica (DMA) Q800 da TA Instruments e uma máquina universal de ensaios eletromecânicos INSTRON 5582. Os resultados obtidos demonstraram a boa resistência mecânica dos fios soldados e o potencial da técnica de microsoldagem por descarga capacitiva para a obtenção de atuadores de LMF de diferentes formatos.
Palavras-chave: Soldagem; NiTinol; Caracterização Termomecânica; Análise Dinâmico-Mecânica.
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CON10-0825 - COMPOSITE BEAM DYNAMICS WITH ACTIVE LAYER OF PZT STRIPS
Marques, Flávio D.¹; Rodrigues Filho, Wesley Barbosa¹; Moreno, Mariano Eduardo²; Tita, Volnei^1
1Escola de Engenharia de São Carlos - USP; ²Federal University of São Carlos, Center of Exact Sciences and Technology
Resumo: The design and synthesis of control systems for active aeroelastic response, particullary to reduce or eliminate the harmful effects of flutter instability still a formidable challenge. The incorporation of active control systems has enabled the exploration of novel concepts in aircraft design. However, while the aeroelastic problems could, theoretically, be eliminated with the use of techniques of control systems, its practical implementation often involves significant increase in aircraft weight. Currently, this problem has been circumvented by using active or smart materials. More recently, active fiber composites, made form piezoelectric material fibers/strips embedded in composites, represent a major technological breakthrough for the manufacture of aerospace intelligent structures. The aim of this work is to study composite beams with layers of PZT strips viewing applications as modal sensors or strain actuators in aeroelastic control problems. Mathematical modelling and subsequent experimental validation are considered. Initially, a finite element model for the micro-mechanical behavior of the active composite is developed, followed by the assessment of a representative macro-mechanical multi-layered active composite plate/shell element. Modal tests to a composite beam are performed to validate the finite element modelling. Such approach must help developing a comprehensive finite element model of a active composite element to be applied in active aeroelastic control design.
Palavras-chave: aeroelastic control; active fiber composites; multiphysics finite elements; active composite beams; modal analysis; piezoelectric materials.
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CON10-0989 - CONTROLE DE VIBRAÇÕES MECÂNICAS UTILIZANDO PROPRIEDADES DAS LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA
Aquino, Alberdan Santiago¹; Borges, Jader Morais²; Irmão, Marcos Antônio da Silva³; Silva, Almeida Silva²; Araújo, Carlos José^4
1Instituto Federal de Educação e Tecnologia da Paraíba; ²Universidade Federal de Campina Grande; ³Universidade Federal Vale do São Francisco; ⁴Universidade Dederal de Campina Grande
Resumo: As ligas com memória de forma ou Shape Memory Alloy (SMA) são materiais que ao receber uma deformação mecânica são capazes de retomar às dimensões originais por meio de um aumento de temperatura específico. É possível encontrar ligas com memória de forma a base de Níquel, Cobre ou Ferro. Utilizando-se destas propriedades, estas ligas são aplicadas em diversos setores como a indústria aeroespacial, automotiva, biomédica e exploração de petróleo. Dentro destas aplicações estão àquelas referentes ao controle de vibrações, sejam elas em estruturas ou em máquinas. Neste contexto, são comparados resultados numéricos e experimentais de um sistema com um grau de liberdade, composto de uma massa apoiada em três molas helicoidais, sendo uma delas confeccionada com fio à base de Níquel-Titânio. Dentre os resultados, o trabalho mostrou que foi possível controlar as amplitudes de vibração do sistema com excitação forçada, através da mudança de sua freqüência natural por meio da alteração da temperatura da mola helicoidal de SMA.
Palavras-chave: Memória de forma; Vibração; Controle.
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CON10-0736 - DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA ELETRÔNICO DE MEDIÇÃO PARA MONITORAMENTO DA VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA ELÉTRICA DE UMA MOLA HELICOIDAL DE TI-NI USANDO MICROCONTROLADORES
Bezerra, Jadeilson de Santana¹; Silva, Elson Miranda²; Gonzalez, Cezar Henrique¹; Filho, Severino Leopoldino Urtiga^1
1UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO, Recife-PE; ²Instituto Federal de Pernambuco, Ipojuca - PE
Resumo: A seriedade na pesquisa na engenharia dos materiais tem levado estudiosos das áreas afins a resultados inovadores. Resultados positivos contribuem para a ciência aumentando a fronteira do conhecimento e levando a caminhos inesperados, podendo assim estudiosos, pesquisadores e engenheiros contribuir de forma maciça com o progresso de uma nação. Em toda pesquisa é necessário monitorar uma grandeza física para que os resultados experimentais possam se adequar a teoria proposta. Porém muitas das vezes tais instrumentos são disponibilizados no mercado com um alto custo para aquisição e na maioria dos casos esses instrumentos eletrônicos são subutilizados numa determinada aplicação científica. Neste artigo é proposto um sistema de instrumentação usando um microcontrolador de custo acessível cuja função principal será o monitoramento da variação de resistência elétrica numa mola helicoidal de Ti-Ni no estado martensítico. O sistema de medição e a mola helicoidal formam o sensor mecatrônico. O sistema é dotado de uma fonte de corrente que sensibilizará a mola helicoidal para seu estado martensítico através da passagem de uma corrente elétrica. A variação do tamanho da mola resultará na variação da resistência elétrica do material, provoca uma variação da tensão elétrica, proporcional à variação da deformação na mola. Foram feitas medidas da resistência da mola com o procedimento de medição aqui proposto visando obter os melhores resultados, em termos de precisão disponível num, usando o método de medição voltímetro/amperímetro. O monitoramento da resistência elétrica da mola através do princípio físico da equação de Ohm proporcionou a base de monitoramento do sensor mecatrônico. Os resultados mostraram que, para um ambiente de temperatura variável, o sistema de medição foi capaz de especificar, de forma confiável, se a mola está em repouso ou distendida, com resultados precisos para os diferentes níveis de deformação impostos à mola.
Palavras-chave: mola helicoidal de Ti-Ni; microcontrolador; sistema de medição; resistência elétrica.
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CON10-1126 - EFEITO DO ENVELHECIMENTO E DA CICLAGEM TÉRMICA EM LIGAS DE TI-NI RICAS EM NÍQUEL.
Oliveira, Carlos Augusto¹; Silva, Niédson José¹; Gonzalez, Cezar Henrique¹; Araújo, Carlos José²; Urtiga Filho, Severino Leopoldino^1
1UFPE; ²UFCG
Resumo: O comportamento termoelástico das ligas de Ti-Ni apresenta consideráveis alterações quando da variação do percentual de Ni. O percentual deste elemento induz modificações nas temperaturas críticas de transformação e nas propriedades termoelásticas resultantes das transformações martensíticas. Entre estas alterações, visualiza-se o comportamento da transformação direta que pode acontecer em uma etapa ( B2→B19' ) ou em duas etapas ( B2→R→B19' ) . Este trabalho investiga e compara a transformação martensítica de duas ligas de TiNi ricas em níquel. Este estudo é realizado através de tratamentos térmicos, calorimetria diferencial de varredura e análise dinâmico-mecânica dos materiais. Entre os resultados esperados, busca-se visualizar as alterações nas temperaturas críticas de transformação, bem como, comparar a transformação de fase nas duas ligas em estudo.
Palavras-chave: Transformação de fase; Ligas de Ti-Ni; Análise dinâmico mecânica; Efeito termoelástico.
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CON10-1018 - ELECTROMECHANICAL RESPONSE OF 1-3 PIEZOELECTRIC FIBER COMPOSITES: A UNIT CELL APPROACH FOR NUMERICAL EVALUATION OF EFFECTIVE PROPERTIES
MEDEIROS, Ricardo de¹; MORENO, Mariano Eduardo²; TITA, Volnei¹; MARQUES, Flávio Donizeti¹; SARTORATO, Murilo^1
1University of São Paulo, School of Engineering of São Carlos, Aeronautical Engineering; ²Federal University of São Carlos, Center of Exact Sciences and Technology, Mechanical Engineering
Resumo: Materials which exhibit piezoelectric behavior generate an electrical field in response to a mechanical deformation or alternatively undergo a mechanical deformation in response to an applied electrical field. This capability makes possible the use of these smart materials as either sensors or actuators in several industrial fields related to noise and vibration control, acoustic speakers, precision position control and health monitoring systems. This work presents the development of unit cell numerical models of 1-3 periodic composites, with piezoelectric fibers made of PZT (lead zirconate titanate) embedded in a soft non-piezoelectric matrix. The common approach for estimating the macro-mechanical properties of 3D piezoelectric fiber composites is by the unit cell approach, also called a representative volume element (RVE), which captures the major features of the underlying micro-structure. The main idea of this method is finding a globally homogeneous medium equivalent to the original composite, where the strain energies stored in the two systems are approximately the same, with special emphasis placed on the formulation of suitable boundary conditions that allows the simulation of all modes of the overall deformation arising from any arbitrary combination of mechanical and electrical loading. With this procedure it is possible to speed up the modeling process for both, composite discretization and the computer simulation of composites in realistic conditions. In the first instance, the unit cell is applied to prediction of the effective material coefficients of the transversely isotropic piezoelectric composite with circular cross section fibers. The results are compared with methods reported in the literature and also to results previously published by the authors, in order to validate the proposed methodology. The second step of this work is to apply the methodology to estimate the properties of composites with square cross section fibers (also known as MFC - Macro Fiber Composites). These last models will be used to support further experimental tests of composites with active layers based in MFC fibers. The numerical analysis presented in this work are performed with the software ABAQUS®.
Palavras-chave: Piezoelectric fiber composites; Finite element analysis; Effective material properties; Unit cell.
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CON10-1351 - EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF A PIEZO-AERO-ELASTIC WING
Vieira, Wander Gustavo Rocha¹; De Marqui Júnior, Carlos¹; Tristão, Saulo^1
1Escola de Engenharia de Sao Carlos- EESC-USP
Resumo: Multifunctional structures can perform tasks additional to their primary functions and are pointed out as a future breakthrough technology for Unmanned Air Vehicles (UAV) design. Based on the concept of vibration-based energy harvesting, the lifting surfaces of a UAV can perform the additional function of providing electrical energy by converting aeroelastic vibrations to electricity using the direct piezoelectric effect. In this paper, the experimental and numerical investigation of a piezo-aero-elastic cantilevered plate-like wing with embedded piezoceramics are presented for energy harvesting. The piezo-aero-elastic model is obtained by combining an electromechanically coupled finite element model and an unsteady aerodynamic model. The electromechanically coupled finite element model is based on Kirchhoff assumptions to model the thin cantilevered wing with embedded piezoceramics layers. The substructure and the piezoceramic layers are assumed to be perfectly bonded to each other. A resistive load is considered in the electrical domain and the purpose is to estimate the power generated in the electrical domain due to the aeroelastic vibrations of the energy harvester wing. The aerodynamic model is accomplished with an unsteady doublet lattice model. The electromechanical and the aerodynamic models are combined to obtain the piezo-aero-elastic equations which are solved using a modified P-K scheme. The experimental wing is a spring steel plate of constant thickness and the aerodynamic shape is given by 12 pieces of NACA 0012 airfoil plates made of foam. Two layers of piezoceramics are bonded into the top and on the bottom of the plate. Wind tunnel tests are performed and the evolution of damping and frequencies of each aeroelastic mode as well as the electrical outputs (voltage, current and electrical power) are obtained for different airflow speeds and a given load resistance. The experimental data is used to verify the piezo-aero-elastic model predictions.
Palavras-chave: Aeroelasticity; Piezo-aero-elastic; Flutter; Doublet-lattice; Piezoceramics.
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CON10-2110 - FABRICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO TERMOMECÂNICA DE ARRUELAS BELLEVILLE DE LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA
PEREIRA, Francisco Fernando Roberto¹; SIMÕES, Jackson de Brito¹; JERÔNIMO, Emerson¹; MELO, Adelaide Costa de²; SANTOS, Neilor Cesar dos²; REIS, Rômulo Pierre Batista dos¹; ARAÚJO, Carlos José de^1
1UFCG; ²IFPB
Resumo: Atuadores de Ligas com Memória de Forma (LMF) estão recebendo um interesse especial, devido às variadas possibilidades de aplicação em diversos setores industriais (petróleo e gás natural, energia, médico-odontológico e aeronáutico). Esse interesse decorre do fato dessas LMF constituírem materiais metálicos especiais capazes de recuperar deformações plásticas de grande intensidade (da ordem de 5 % em tração uniaxial) por intermédio de um simples aquecimento. Este trabalho teve por objetivo geral fabricar atuadores do tipo arruela Belleville de LMF base Ni-Ti e avaliar seu desempenho em termos geração de força, visando sua aplicação em juntas aparafusadas inteligentes. Para isso selecionou-se uma LMF Ni-Ti de composição equiatômica e a partir dela produziu-se os atuadores através da adaptação do processo de fusão e conformação Plasma Skull Push Pull (PSPP). Uma vez aprimorada a técnica de fabricação dos atuadores de LMF, obteve-se uma arruela Belleville de Ni-Ti com a qual foram realizados ensaios preliminares de geração de força em função da temperatura utilizando uma máquina universal de ensaios. Os resultados obtidos demonstraram a geração de picos de força de até 6 kN e de forças residuais de pré-carga da ordem de 1 kN, indicativos do potencial destes materiais para o desenvolvimento de aplicações concretas, principalmente no setor de petróleo e gás.
Palavras-chave: Mola; Belleville; Memória; Plasma; Liga.
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CON10-1019 - INFLUÊNCIA DA LAMINAÇÃO NA CAPACIDADE DE AMORTECIMENTO DE LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA NITI
Silva, Niédson José¹; Grassi, Estephanie Nobre Dantas¹; De Araújo, Carlos José¹; Gonzalez, Cezar Henrique^2
1Universidade Federal de Campina Grande; ²Universidade Federal de Pernambuco
Resumo: Ligas com memória de forma (LMF) são materiais que tem forte potencial aplicativo como atuadores termomecânicos em diversos setores, como o aeroespacial, automobilístico, médico-odontológico, entre outros. Recentemente, tem surgido o interesse por suas propriedades dinâmicas devido ao seu alto grau de capacidade de amortecimento. Este potencial está relacionado à capacidade do material absorver energia através de movimentos internos na microestrutura. Neste trabalho, realizou-se um comparativo entre a capacidade de amortecimento apresentada por uma lâmina da liga NiTi como fabricada com outras conformadas mecanicamente por laminação à quente. O resultado desse estudo foi a observação dos efeitos da laminação sobre as propriedades dinâmicas dessas ligas. A lâmina que não passou pelo processo de laminação demonstrou capacidade de amortecimento muito superior com relação àquelas que sofreram deformações severas de conformação. A análise é bastante importante quanto ao uso do material em aplicações reais, principalmente onde se observam carregamentos dinâmicos ou impactos mecânicos.
Palavras-chave: Ligas com memória de forma; Amortecimento; Análise Dinâmico-Mecânica; Materiais inteligentes.
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CON10-1716 - INFLUÊNCIA DA SOLIDIFICAÇÃO RÁPIDA NAS TEMPERATURAS DE TRANSFORMAÇÃO EM FITAS NITI OBTIDAS POR MELT SPINNING
Anselmo, George Carlos dos Santos¹; Castro, Walman Benício¹; Araújo, Carlos José¹; Reis, Rômulo Pierre^1
1UFCG
Resumo: O conteúdo deste trabalho apresenta resultados que pemintem avaliar a influência da solidificação rápida nas temperaturas de transformação e reversão martensítica. O processo utilizado para produzir os lingotes da liga NiTi com memória de forma foi via fusão por indução à vácuo. Na obtenção das fitas NiTi foi utilizada a técnica Melt Spinning. Obteve-se fitas variando a velocidade da roda de 30, 40 e 50 m/s. Portanto, a velocidade de solidificação das fitas puderam ser controladas. O efeito desta velocidade de solidificação teve influência nas temperaturas de transformação da fita, onde foram discutidos neste trabalho. O aumento da velocidade da roda de 30 a 50 m/s resultou em uma diminuição da espessura da fita. Com o aumento da velocidade de giro da roda as temperaturas de transformação reduziram devido a quantidade de contornos de grão e tensões residuais que retardam a formação da martensita.
Palavras-chave: Solidificação rápida; Efeito de memória de forma; NiTi.
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CON10-0392 - LOCALIZAÇÃO ÓTIMA DE CERÂMICAS PIEZELÉTRICAS PARA CAPTURA E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA EM ESTRUTURAS INTELIGENTES
Clementino, Marcel Araujo¹; Shiki, Sidney Bruce¹; da Silva, Samuel¹; Lopes Júnior, Vicente^2
1Universidade Estadual do Oeste do Paraná - UNIOESTE, Campus de Foz do Iguaçu; ²Universidade Estadual Paulista - UNESP, Campus de Ilha Solteira SP
Resumo: A geração de energia elétrica a partir da vibração do meio ambiente tem atraído muitas pesquisas nos últimos anos. Dentre os diversos meios mecânicos de conversão, os baseados em cerâmicas piezelétricas (PZTs) tem recebido grande atenção pela capacidade de captura e armazenamento (power harvesting) usando circuitos retificadores para uso em equipamentos eletrônicos e de baixa potência. Neste sentido, este trabalho apresenta a modelagem via elementos finitos de uma viga inteligente acoplada com PZTs e um circuito para power harvesting e a otimização do posicionamento dos PZTs visando uma maior capacidade de geração de energia. Para otimizar a localização do sensor/atuador um algoritmo genético foi implementado. Diversas simulações numéricas foram realizadas tanto para modelagem considerando o efeito do acoplamento eletromecânico dos PZTs com a estrutura base, assim como valores de excitação, amplitude de força, frequência, condições de contorno, constantes do circuito eletrônico para power harversting e parâmetros de controle para otimização utilizando algoritmos genéticos. Os resultados mostram que uma escolha adequada do posicionamento dos PZTs na viga pode aumentar consideravelmente a energia capturada e armazenada.
Palavras-chave: modelos de estruturas inteligentes; power harvesting; posicionamento ótimo de PZTs; algoritmos genéticos.
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CON10-1374 - MODEL OF ENERGY HARVESTING USING PIEZOELECTRIC TRANSDUCER
Gonsalez, Camila Gianini¹; Franco, Vitor Ramos²; Souza, Flavilene Silva¹; Silva, Samuel³; Brennan, Michael J.⁴; Lopes Jr., Vicente^1
1unesp; ²usp; ³unoeste; ⁴University of Southampton
Resumo: Nowadays, a major concern is the need to develop new energy sources. In this context, a sector that has attracted much interest isone in which devices that are able convert other types of energy into electrical energy. This technique is known as energy harvesting and consists of energy capture and storage by, for example, solar, wind, thermal and kinetic sources. Of interest in this paper are piezoelectric transducers, which are able to convert mechanical vibrations into electrical energy. However, when an electrical circuit is coupled to the transducer the mechanical system is strongly influenced by it. This paper presents a model that considers the coupling influence between these systems. This model is based on The Impedance Method to get the Transduction Matrix. The structure modeled as a free sliding beam with a piezoelectric ceramic coupled to it and one electrical load. A program was developed to analyze the behavior of this system, as well as the optimal conditions for energy harvesting.
Palavras-chave: Piezoelectric Material; Energy Harvesting; Impedance Method.
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CON10-1454 - MODELING AND EXPERIMENTAL VERIFICATION OF A PIEZO-AERO-ELASTIC HARVESTER
Anicézio, Marcela de Melo¹; Vieira, Wander Gustavo Rocha¹; Tristão, Saulo¹; De Marqui, Carlos, Jr^1
1Departamento de Engenharia Aeronáutica, Escola de Eng. de São Carlos, Universidade de São Paulo
Resumo: Aeroelastic phenomena are a novel opportunity for vibration based energy harvesting. Flutter is a dynamic aeroelastic instability which involves the interaction of aerodynamic, elastic and inertial forces yielding to undesired oscillatory behavior that can lead to the failure of a structure. However, flutter also has great potential for extracting energy from the wind and its conversion into usable electrical energy. The conversion of ambient vibration energy to usable electrical energy is the definition of vibration based energy harvesting. The recent literature shows that piezoelectric transduction has received the most attention for vibration-based energy harvesting. Authors have pointed out the piezo-aeroelastic generators as an alternative for the traditional wind turbines in urban areas. In this paper the piezo-aero-elastic modeling of a typical section is presented for energy harvesting. Piezoceramics are added to the plunge degree of freedom of the typical section and a resistive electrical load is considered in the electrical domain. The aerodynamic model is accomplished with the unsteady lumped vortex model. The piezo-aero-elastic equations are solved in the state space. Pitch and plunge displacements as well as electrical output (electrical power generated) are obtained for different airflow speeds and load resistances. In addition to the power generation, the effect of resistive shunt damping on the piezo-aero-elastic response of the typical section is investigated. An experimental flutter typical section model with electromechanical coupling in the plunge degree of freedom is also presented. Wind tunnel verifications are performed and compared to the model predictions.
Palavras-chave: Energy Harvesting; Aeroelasticity; Piezoaeroelasticity.
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CON10-0065 - MODELO EM ELEMENTOS FINITOS PARA SIMULAÇÃO E ANÁLISE DE UM GERADOR PIEZELÉTRICO DE ENERGIA
Cesar, Reinaldo¹; De Marqui Junior, Carlos^1
1Universidade de São Paulo
Resumo: A conversão de energia de vibração disponível no ambiente em energia elétrica é a definição para o termo Vibration Based Energy Harvesting, ou geração de energia a partir de vibrações. Diferentes mecanismos de transdução podem ser utilizados para a conversão, como por exemplo, o piezelétrica, eletromagnética e eletrostática. Entretanto, a literatura recente mostra que a transdução piezelétrica tem recebido a maior atenção devido à elevada densidade de potência elétrica que proporcionam. Um modelo em elementos finitos eletromecanicamente acoplado baseado nas hipóteses de Kirchhoff é apresentado. Uma gerador piezoelétrico de energia na configuração bimorph (uma camada de metal (subestrutura) completamente coberta por duas camadas piezocerâmicas em sua superfície superior e inferior) em paralelo é analisado. Um circuito elétrico resistivo é considerado no domínio elétrico do problema. O gerador, representado na configuração livre-engastado, é excitado a partir do movimento harmônico de sua base engastada. Funções respostas em freqüências (FRFs) eletromecanicamente acopladas são definidas e o comportamento do sistema analisado.
Palavras-chave: Vibrações Mecânicas; Piezeletricidade; Elementos Finitos; Geração de Energia.
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CON10-1422 - PROPOSTA DE UM CIRCUITO PARA EXTRAÇÃO DE POTÊNCIA DE TRANSDUTORES PIEZELÉTRICO USANDO TRANSISTORES MOS
Souza, Flavilene da Silva¹; Gonsalez, Camila Gianini¹; Júnior, Vicente Lopes¹; Oki, Nobuo^1
1UNESP
Resumo: Nos últimos anos, uma importante área do conhecimento vem ganhando destaque, esta área é conhecida como 'Power harvesting' ou 'Energy harvesting', que consiste no desenvolvimento de tecnologias para aquisição e conversão de alguma fonte de energia qualquer em energia elétrica utilizável. Neste contexto, destaque deve ser dado a tecnologias que utilizem transmissão sem fio e circuitos eletrônicos de baixa potência, onde o conceito de Power harvesting pode ser utilizado. Um método para obtenção desta energia é utilizar a vibração de estruturas mecânicas. Para proporcionar a conversão desta energia mecânica em energia elétrica, algum tipo de transdutor deve ser utilizado. Uma possibilidade é utilizar o transdutor piezelétrico que possui estão a capacidade de desenvolver uma diferença de potencial elétrico quando submetido a um esforço mecânico. Desta forma, na presença de vibrações mecânicas eles produzem energia elétrica, e esta energia é armazenada em uma bateria ou super-capacitor, para depois, ser utilizada em outros circuitos eletrônicos. No entanto, uma das limitações desses sistemas, é a baixa quantidade de energia gerada por esses dispositivos. Assim é necessário que haja uma otimização do circuito elétrico para minimização das perdas e por conseguinte, obter um melhor rendimento do sistema. Este trabalho investiga os circuitos retificadores e do conversor CC-CC para otimização do rendimento do sistema, ou seja para maximizar a quantidade de energia obtida do transdutor piezelétrico e fornecida a bateria. Circuitos retificadores utilizando diodos de junção, diodos Schottky e transistores MOS são investigados e comparados através de simulação.
Palavras-chave: Materiais Piezelétricos; Energy harvesting; Transistores MOS.
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CON10-2285 - REVISÃO DOS CIRCUITOS DERIVATIVOS E SUAS VARIAÇÕES USADOS NA REGENERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS EM ESTRUTURAS VIBRANTES (2006-2009)
Chagas, Marcella Cristina Oliveira¹; Finzi Neto, Roberto Mendes²; Gallo, Carlos Alberto^1
1Universidade Fed. de Uberlândia - Inst. Nac. de Ciência e Tec. Estruturas Inteligentes em Engenharia; ²Universidade Federal de Goiás/Catlão - Inst. Nac. de Ciência e Tec. Estruturas Inteligentes em Eng.
Resumo: A preocupação com o fim das fontes de energia no mundo tem sido cada vez maior. Milhares de pesquisadores estudam sobre como usar os recursos energéticos naturais, a fim de preservar os recursos que são esgotáveis e evitar riscos e danos ao meio ambiente. O principal objetivo deste trabalho é analisar as experiências mais importantes que foram estudadas entre os anos de 2006 e 2009 na conversão de energia mecânica do ambiente em energia elétrica utilizável usando materiais inteligentes, com efeito piezoelétrico, em estruturas com alguma vibração (regeneração de energia). Esses materiais têm recebido grande atenção devido à sua capacidade de converter diretamente energia de tensão de deformação em energia elétrica utilizável e a facilidade com que esses materiais podem ser integrados em um sistema. A conversão da energia mecânica em energia elétrica tem sido o foco de pesquisas para sistemas auto-alimentados, em especial para dispositivos situados em locais remotos e de difícil acesso. Após a energia elétrica regenerada ser retirada, se faz necessário o uso de um circuito derivativo que possa tornar essa energia armazenável e posteriormente utilizável. Para tanto, um circuito elétrico retira a tensão gerada pelo material piezoelétrico, depois essa é retificada e a seguir passa pelo conversor DC-DC. Este trabalho analisará os circuitos elétricos já desenvolvidos e mostrará um comparativo dos conversores que já foram propostos como Buck, Boost ou Buck-Boost que usam apenas diodos e retificadores síncronos, que usam elementos de potência, como MOSFETs que têm perdas que podem ser consideradas desprezíveis. Será comentada ainda a eficiência da conversão de energia de cada circuito discutido para que se possa chegar numa conclusão de vantagens e desvantagens do uso de cada conversor comparado.
Palavras-chave: Conversor; Armazenamento; Energia renovável; Regeneração de energia; Material Piezoelétrico.
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CON10-1650 - VIBRATION CONTROL OF LAMINATE COMPOSITE PLATES USING EMBEDDED ACTIVE-PASSIVE PIEZOELECTRIC NETWORKS
Trindade, Marcelo Areias¹; Godoy, Tatiane Corrêa^1
1USP São Carlos
Resumo: Piezoelectric materials have been widely used as distributed sensors and actuators for structural vibration control. Depending on the electronics connected to the piezoelectric transducers, the vibration control can be passive, active or hybrid active-passive [1]. Passive control is particularly interesting since there is no need to inject additional energy into the system so that the mechanical energy dissipation is due only to transformation into electrical energy and heat [2]. More recently, research was redirected to combined active and passive vibration control techniques such as Active-Passive Piezoelectric Networks (APPN) that integrates an active voltage source with a passive resistance-inductance shunt circuit to a piezoelectric sensor/actuator [3]. In this case, the piezoelectric material may also serve as an actuator for which a control voltage can be applied to actively control the structural vibrations. The objective of this work is to present the finite element modeling of laminate composite plates with embedded piezoelectric patches or layers that are then connected to active-passive resonant shunt circuits, composed of resistance, inductance and voltage source. Applications to passive vibration control and active control authority enhancement are also presented and discussed. The formulation results in a coupled finite element model with mechanical (displacements) and electrical (charges at electrodes) degrees of freedom. For a Graphite-Epoxy laminate composite plate, a parametric analysis is performed to evaluate optimal locations along the plate plane (xy) and thickness (z) that maximize the effective modal electromechanical coupling coefficient. Then, the passive vibration control performance is evaluated for a network of optimally located shunted piezoelectric patches embedded in the plate, through the design of resistance and inductance values of each circuit, to reduce the vibration amplitude of the first four vibration modes. A vibration amplitude reduction of at least 10 dB for all vibration modes was observed. Then, an analysis of the control authority enhancement due to the resonant shunt circuit, when the piezoelectric patches are used as actuators, is performed. It is shown that the control authority can indeed be improved near a selected resonance even with multiple pairs of piezoelectric patches and active-passive circuits acting simultaneously. [1] Ahmadian, M. and DeGuilio, A.P., Recent advances in the use of piezoceramics for vibration suppression, The Shock and Vibration Digest, 33(1):15-22, 2001. [2] Hagood, N.W. and von Flotow, A. Damping of structural vibrations with piezoelectric materials and passive electrical networks, Journal of Sound and Vibration, 146(2):243-268, 1991. [3] Tang, J., Liu, Y., Wang, K., Semiactive and active-passive hybrid structural damping treatments via piezoelectric materials, The Shock and Vibration Digest, 32(3):189-200, 2000.
Palavras-chave: piezoelectric materials; resonant shunt circuits; laminate plates; active-passive piezoelectric networks.
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CON10-1084 - WIND TURBINE PASSIVE CONTROL USING AEROELASTIC TAILORING: STATE OF THE ART.
da Silva, Cláudio Tavares¹; Donadon, Maurício V.¹; Menezes, João Carlos¹; Ramos, Roberto Luiz da Cunha Barroso^1
1Instituto Tecnológico de Aeronáutica, DCTA-ITA-IEM
Resumo: This work intends to be a historic review of the passive control of Wind turbines employing the aeroelastic tailoring concept. This concept demands to use the flap and torsion deformations coupling of the structural elements made with composite materials. Such couplings could be achieved and predetermined, using an adequate distribution and orientation of the layers of the composite materials that the structural element is made, in this case, the wind turbine blade. The flap deformations of the wind turbine blade are caused by the aerodynamic load that is applied over the blade. The torsion deformations can make a mitigation of these loads. Because of this such concept could be employed to improve the aerodynamic efficiency of the turbine, and even advance the mitigation of loads that are applied over the structure of the turbine blade. This mitigation of the aerodynamic loads could enlarge the fatigue life of the wind turbine blade and enable a substantial improvement in its structural efficiency.
Palavras-chave: wind turbine; aeroelastic tailoring; passive control.
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