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Acoustical performance of Helmholtz resonators used as vehicular silencers.
(2018) Martins, Lucas Rodrigues; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Fragassa, Cristiano
This study proposes to evaluate the acoustical performance of a reactive vehicular silencer made entirely of Helmholtz resonator. Four or seven resonators are idealized to be in a series configuration, all the dimensions except cavity length and resonators are fixed. An algorithm processes inputted characteristic engine noise signal obtained from literature, identify peaks, and calculates ideal cavity length for attenuation. The transmission loss of the system is analytically calculated. Attenuation levels obtained are satisfactory. The required volume of the resonator to achieve the same resonance frequency as low frequency noise peak demands impractical cavity length, proving it to be flawed. It is suggested to use resonators of two or three different diameter for different frequency range in order to overcome this problem.
Análise dinâmica avançada de estruturas de aço com ligações semirrígidas e interação com o solo.
(2018) Batelo, Everton André Pimentel; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Silva, Andréa Regina Dias da; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Silva, Andréa Regina Dias da; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Ferreira, Walnório Graça; Galvão, Alexandre da Silva
Esta tese apresenta os fundamentos numéricos para a previsão do comportamento de estruturas planas de aço com ligações semirrígidas e interação com o solo quando estas são submetidas a ações dinâmicas extremas, como: impacto, abalos sísmicos e ações de ventos. Nessas condições, as estruturas de aço podem apresentar deformações permanentes, danos localizados que podem levar ao colapso parcial ou total. Dessa forma, projetar sistemas estruturais considerando o comportamento elástico do material, nessas situações extremas, tende a ser antieconômico. É aceitável, portanto, que haja certo dano nas estruturas nessas situações de carregamento extremo, desde que esse não coloque em risco a segurança da edificação. Assim, esta tese tem como objetivo avaliar o comportamento não linear de estruturas de aço sob ação dinâmica, procurando explorar a capacidade de amortecimento histerético introduzido pelas ligações semirrígidas e pelo processo de deformação plástica de seus membros (vigas e colunas formados por perfis I ou H compactos), com a consequente redistribuição de esforços internos e formação de rótulas plásticas. As análises transientes não lineares são realizadas através do programa computacional CS-ASA (Silva, 2009), que é baseado no método de elementos finitos (MEF). Esse programa é ampliado através do presente estudo, onde os efeitos não lineares geométricos, das ligações semirrígidas e do material aço são considerados juntamente com a interação solo-estrutura (ISE). Elementos finitos planos não lineares de barra, baseados na hipótese de Euler Bernoulli, são usados na modelagem das estruturas de aço e elementos de fundação são usados para aproximar o meio geológico (solo ou rocha), que é modelado de forma discreta ou contínua (hipóteses de Winkler). Assume-se aqui que esses elementos de fundação reagem às solicitações de tração e compressão, caracterizando o problema ISE com restrições bilaterais de contato. As respostas transientes não lineares dos problemas analisados são obtidas através um processo incremental-interativo, usando os métodos Newmark e Newton-Raphson. Por fim, vale destacar que as respostas alcançadas através da metodologia de solução numérica proposta apresentaram boa concordância com as extraídas da literatura e através do software SAP 2000.
Analysis of the acoustical behavior of cavities using impedance functions.
(2016) Guimarães, Gustavo Paulinelli; Pirk, Rogério; Souto, Carlos D'Andrade; Góes, Luiz Carlos Sandoval
The acoustic design of cavities is an important task in a variety of engineering applications, from automotive or aerospace industries to equipment coating designs. In this work, the acoustic impedance functions (a frequency domain model) were calculated using analytical, numerical, and experimental methods. Those different approaches were presented in a unified manner in order to allow comparisons among them. The relationship of the impedance function and a classical frequency response function (FRF) was also established. A circular duct of rigid walls was assumed with different boundary conditions as closed end, as well as opened and absorbed extremities. Three duct configurations were implemented in order to compare analytical, numerical, and experimental results. Finally, it could be possible to evaluate some aspects that are characteristic of a large range of acoustic systems applications as the existence of complex modes and frequency-dependent behavior of absorption material. This study aims the usage of the impedance functions to analyze the acoustic behavior of cavities, as well as to compose the background in order to develop, in the future, an acoustic modeling process using impedance functions.
Controle passivo da resposta dinâmica estrutural via análise numérica e otimização.
(2017) Pena, Tales Vieira; Neves, Francisco de Assis das; Cury, Alexandre Abrahão; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Magluta, Carlos; Neves, Francisco de Assis das
Efeitos de vibrações em estruturas, ocasionados por uma excitação externa cuja frequência está bem próxima de umas das frequências naturais do sistema, começaram a ser um problema bastante comum atualmente. Isto ocorre pelo fato de as novas estruturas necessitarem de menos matéria-prima para serem erguidas, devido aos diversos avanços tecnológicos nas áreas de engenharia, computação e ciência dos materiais, o que proporciona um formato mais esbelto do que as de antigamente. Assim, para contornar este problema, diversos aparatos foram estudados e desenvolvidos com o objetivo de se isolar a estrutura dessas excitações ou minimizar os seus efeitos. Um desses mecanismos é o absorsor de massa sintonizado, AMS, que devido a sua simplicidade e baixo custo de manutenção, tornou-se bastante utilizado. Neste trabalho, foi estudada a aplicação de múltiplos AMS, ou MAMS, no controle de vibração em estruturas com diversos graus de liberdade sujeita a excitações externa. Inicialmente, foi realizado um estudo teórico para desenvolver uma rotina numérica que permitisse a analise dinâmica do sistema composto pela estrutura e os MAMS. Depois disto, foi investigado o comportamento desse sistema mediante a utilização de 1 AMS e de 3 AMS, arranjados na sua forma interligada, MAMS I, e não interligada; MAMS NI; em duas estruturas distintas: uma viga bi apoiada e um shear building de 20 andares. Para isso, os melhores parâmetros para cada configuração dos AMS foram obtidos através do método de otimização por algoritmo genético, onde foi considerado como objetivo minimizar o máximo valor modular da função resposta em frequência, FRF, e através da otimização multiobjetivo, que, além do objetivo anterior, também foi considerado como objetivo a uniformização da FRF. De modo geral, os resultados obtidos foram satisfatórios e mostraram que dentro da faixa investigada e dos objetivos investigados, a configuração o MAMS I foi mais eficiente no controle de vibrações quando comparados às outras configurações.
Dynamic behavior of tapping axial force.
(2021) Pereira, Igor Cezar; Mapa, Lidianne de Paula Pinto; Barros, Thamiris Nogueira de; Fortes, Reinaldo Clemente; Silva, Marcio Bacci da; Guimarães, Gustavo Paulinelli
Background Tapping is one of the processes that most requires attention in the industry, due to the stage in which it occurs and its characteristics. In the case of tapping, it is common to use components and equipment with less rigidity, which com promises the dynamic behavior in several situations and can lead to process distortion or failure. Purpose The objective of this paper is to study the dynamic behavior of tapping in relation to several characteristics of the process. Methods The dynamic behavior of the force signal was used to evaluate the process, varying the cutting parameters and the clamping system of the workpiece. Results The experimental results indicate that the foating system did not present a good dynamic behavior at high cutting speeds, this greater application of vibration is due to the resonance due to the combination of oscillations under forced and natural vibration. Conclusions The natural frequency of the foating fxture system infuenced the behavior of the axial forces. The increase in cutting speed resulted in a direct increase in the axial force vibrations as its frequency came close to the natural frequency of the system. Through dynamic analysis of the axial force signal observed the dynamic characteristics of the process and the machine tool. This allowed the dynamic evaluation of the system through the measurement of force signals generated in the threading process.
Dynamic substructuring by the craig–bampton method applied to frames.
(2020) Mapa, Lidianne de Paula Pinto; Neves, Francisco de Assis das; Guimarães, Gustavo Paulinelli
Purpose The Craig–Bampton method is a substructuring technique that reduces the number of internal degrees of freedom of substructures by approximations, using a set of truncated vibration modes. It is useful for structural designs with many degrees of freedom. This work aims to develop substructuring through the Craig–Bampton method for free vibration analysis on planar frames according to the frequency range of interest. Methods The fnite-element models of diferent substructures were assembled. Thus, the degrees of physical freedom were reduced according to the frequency range of interest. The reduced-order models were coupled. Thus, the physical response was obtained. Detailed calculation and the algorithm fowchart are provided. Conclusions The study of frame dynamics using the present method in diferent frequency ranges of interest was presented and validated with the results of a commercial software. It was possible to clarify the coupling formulations of the component mode synthesis, as well as the amount of reduction of the number of equations provided by the method, reaching less than 4% of the complete model, for the considered cases.
Estudo comparativo de técnicas de identificação modal no domínio do tempo aplicadas a estruturas de Engenharia Civil.
(2016) Yoshida, Lorrany Miquelante; Cury, Alexandre Abrahão; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Martins, Cláudio José
O monitoramento dinâmico na área da Engenharia Civil desempenha um papel muito importante no que diz respeito à manutenção de estruturas, tais como: pontes, barragens, estádios e estruturas offshore. Esse monitoramento é normalmente realizado a partir da análise das respostas das estruturas quando submetidas a ensaios de vibração e devidas, também, às ações ambientais. Quando o monitoramento dinâmico é feito a partir da análise das respostas submetidas à vibração forçada das estruturas, normalmente faz-se necessária a interrupção do seu funcionamento operacional. Em contrapartida, quando estas estão sujeitas às ações ambientais (tráfego de veículos, vento, entre outros), essa interrupção não é necessária na maioria dos casos. De maneira geral, o monitoramento dinâmico se faz a partir do acompanhamento dos parâmetros modais que são as frequências naturais, as taxas de amortecimento e os modos de vibração. Os ensaios estruturais, geralmente, nos fornecem medidas dinâmicas em função do tempo, como é o caso das acelerações, dos deslocamentos, das deformações, etc. Este fato motiva o desenvolvimento de técnicas de identificação modal que trabalham diretamente com estas medidas, eliminando assim possíveis erros gerados pela integração numérica, quando se passa do domínio do tempo para outros domínios. Este trabalho tem por objetivo realizar uma análise comparativa de algumas técnicas de identificação modal no domínio do tempo, existentes na literatura, utilizadas para a identificação modal de estruturas. Dentre elas, podemos citar: Método do Decremento Aleatório (RD) associado ao Método de Ibrahim (ITD) e o Método das Realizações Estocásticas (SSI). Com o intuito de avaliar estes métodos e compará-los, foram utilizados dados de simulações numéricas e de ensaios experimentais realizados em estruturas de pequeno e grande porte. Pretende-se, ao final deste trabalho, destacar a técnica mais robusta para identificação modal experimental de estruturas no que concerne à menor sensibilidade a efeitos externos, tais como a presença de ruídos nos sinais de vibração registrados e ao tipo de excitação atuante sobre a estrutura.
Identificação modal de pontes ferroviárias da Estrada de Ferro Carajás e modelagem numérica via método dos elementos finitos.
(2016) Silva, Marcela Santos da; Neves, Francisco de Assis das; Neves, Francisco de Assis das; Cury, Alexandre Abrahão; Guimarães, Gustavo Paulinelli
A utilização e os efeitos do tempo podem afetar o comportamento de uma estrutura. Problemas como pequenas fissuras, oxidação de elementos de aço e até mesmo deslocamentos excessivos em alguns pontos poderão surgir. Em virtude disso, o monitoramento de pontes por meio de ensaios experimentais tem ganhado mais importância nos dias atuais, por permitir a identificação das suas características dinâmicas. Tais características (frequências naturais, modos de vibração e taxa de amortecimento) podem ser obtidas por meio de ensaios tradicionais de vibração forçada, que se baseiam na medição da resposta da estrutura sujeita a uma excitação induzida com magnitude conhecida, ou a partir de ensaios de vibração livre ou ambiente, em que apenas a resposta da estrutura é medida. No presente trabalho o objeto de estudo é uma ponte em concreto armado, com extensão total de 60 metros, constituída por 03 (três) vãos contínuos de 20 metros cada. Nele são feitas análises, utilizando os dados obtidos experimentalmente no ensaio com vibrações com características aleatórias introduzidas por pessoas saltando ao longo da ponte. O software comercial ARTeMIS Modal é utilizado com o intuito de extrair os parâmetros modais da estrutura, utilizando os métodos de identificação modal de decomposição no domínio da frequência (FDD), decomposição no domínio da frequência aprimorado (EFDD) e o identificação estocástica de subespaço (SSI-UPC). Posteriormente os resultados são comparados com os obtidos no modelo numérico, desenvolvido no CSiBridge.
Influência da taxa de resfriamento sobre a microestrutura e as propriedades mecânicas de um aço ER-70S6 depositado via Manufatura Aditiva por deposição a arco (MADA).
(2022) Neves, José Augusto Pedrosa Baeta; Pereira, Igor Cezar; Porcaro, Rodrigo Rangel; Pereira, Igor Cezar; Porcaro, Rodrigo Rangel; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Ziberov, Maksym; Teles, Vinícius Carvalho
A manufatura aditiva está inserida nas tendências tecnológicas da indústria 4.0. Sua importância e os estudos sobre o tema têm crescido significativamente. Assim, neste trabalho, foi investigado alguns fenômenos e, influências destes, durante a deposição de um aço de baixo carbono por meio do processo de manufatura aditiva por deposição a arco (MADA) na modalidade MIG/MAG. As variáveis do processo são arames de diâmetros distintos (0,80 mm e 1,20 mm), com e sem um sistema de refrigeração forçada para troca de calor que utiliza água, sendo a trajetória de deposição controlada por um centro de usinagem vertical. Durante a MADA com auxílio de termopar do tipo S obteve-se gráficos com o comportamento da temperatura durante os ensaios. A partir das paredes depositadas o trabalho avaliou e comparou as estruturas obtidas através de macroestrutura e de microestrutura. As propriedades mecânicas foram obtidas no ensaio de tração e de microdureza vickers em função das variáveis de entrada citadas anteriormente. É possível observar que o uso da técnica de gerenciamento térmico induz menores temperaturas máximas e taxas de resfriamento maiores. Já na macro e micrografia nota-se distinção clara entre regiões brutas do processo MADA (grãos colunares) que se intercalam com regiões reaustenitizadas pelo passe subsequente, o uso do resfriamento forçado evidencia ainda mais tal distinção e maior presença de grãos colunares. De maneira geral há também concentração de descontinuidades na região do topo da parede depositada e aumento de dureza ao se comparar com o restante da amostra.
Investigations on complex acoustic modes of rocket engines combustion chambers for damping allocation.
(2021) Guimarães, Gustavo Paulinelli; Pirk, Rogério; Souto, Carlos D'Andrade; Góes, Luiz Carlos Sandoval
Combustion instability can severely impair the operation of many kinds of combustion engines. Acoustic resonators are widely used to suppress the pressure oscillations caused by the coupling between the combustion process and the combustion chamber acoustic modes. Combustion chambers with subsonic flow in its inlets and outlets, like gas turbine combustors, exhibit some acoustical damping due to the presence of openings. In such chambers, the acoustic modes are complex. In a complex mode, the antinode regions can be shifted from its position in the corresponding real mode. In this work an experimental acoustic modal analysis of a cavity with an opening was performed. Acoustic frequency response functions were obtained by using a volume acceleration source, a microphone and a data acquisition system. The PolyMAX algorithm was used to estimate longitudinal modes in its real and complex versions. A comparison was performed and the results show that, for some modes, the antinode region placement could change reasonably. This suggests that the use of complex modes for location of antinode regions provides more accurate results and consequently could be a better way to identify positions, where resonators provide maximum damping in order to minimize combustion instability in subsonic combustion chambers.
Modelo computacional com interface gráfica para análise de perda na transmissão sonora em painéis de fechamento simples e duplos.
(2018) Fortes, Reinaldo Clemente; Ribas, Rovadávia Aline de Jesus; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Ribas, Rovadávia Aline de Jesus; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Souza, Henor Artur de; Gomes, Adriano Pinto
Construções estruturadas em aço são projetadas para oferecerem condições mínimas de conforto ao ser humano, associadas à iluminação, comportamento térmico e atenuação do ruído externo. Problemas decorrentes do mau desempenho acústico são complexos e quando não são considerados na elaboração do projeto, necessitam de abordagens corretivas onerosas. Melhorias são obtidas se aplicados, durante a fase de projeto, conceitos e tecnologias que visam o equilíbrio entre o conforto térmico e acústico. Os sistemas de fechamento industrializados aplicados a edificações estruturadas em aço possuem seus parâmetros acústicos difíceis de serem caracterizados, pois, isso exige procedimentos normalizados e laboratórios específicos. No entanto, o conhecimento do desempenho acústico dos sistemas de fechamento auxilia na escolha adequada do material de fechamento empregado na construção civil e esse desempenho pode ser verificado pela perda na transmissão sonora proporcionada pelo sistema de fechamento. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é elaborar um modelo computacional em linguagem JAVA com interface gráfica, que busca adequada interação com o usuário, para a determinação da perda na transmissão sonora em função da frequência em painéis de fechamento industrializados. A modelagem é baseada na Lei da massa e em um método gráfico, aplicados em painéis industrializados simples e duplos, com e sem absorvedores sonoros entre as placas que compõem os painéis duplos, permitindo-se a análise de forma simples e rápida do comportamento acústico do sistema de fechamento. O software desenvolvido possibilita ao usuário inserir novos materiais, elaborar configurações de ensaios, plotar as análises individuais ou múltiplas para comparação. Além de gerar relatório com os dados e resultados da análise. A validação do modelo computacional é quantitativa, comparando-se os resultados com trabalhos publicados que analisaram o desempenho acústico baseado na perda na transmissão sonora, seja analítico, numérico ou experimental. De forma geral, o software apresenta resultados com diferença abaixo de 0,5% e 1,5% para a lei da massa e método gráfico aplicados nos painéis simples. Nos painéis duplos, para todas as configurações analisadas, apresenta menos de 1,5% de diferença, se comparados com valores de outros trabalhos, viabilizando sua utilização na análise de painéis de fechamento simples e duplos, pela perda na transmissão sonora.
Obtenção de diagrama de lóbulos de estabilidade durante o processo de fresamento por meio da análise modal operacional.
(2023) Couto, Alison de Andrade; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Pereira, Igor Cezar; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Pereira, Igor Cezar; Silva, Marcio Bacci da; Cury, Alexandre Abrahão
O diagrama de lóbulos de estabilidade (SLD, do inglês: Stability Lobes Diagram) é uma importante ferramenta para orientar as operações de processos de usinagem, quanto às condições para se evitar a presença de vibrações regenerativas (chatter) durante o processo de formação do cavaco. O diagrama é obtido através do estudo da relação entre as condições de corte e parâmetros dinâmicos do sistema. Como resultado prático tem-se a mitigação dos efeitos negativos das vibrações de chatter. Pela interpretação do gráfico gerado é possível a definição das condições de corte que oferecem a maior estabilidade dinâmica, ou seja, onde pode ocorrer a maior taxa de remoção de material sem que se saia da zona de estabilidade do sistema durante o corte, o que garante uma melhor qualidade superficial da peça e o aumento da vida da ferramenta. Tradicionalmente, os parâmetros modais da ferramenta são extraídos pela análise modal experimental (EMA, do inglês: Experimental Modal Analysis), utilizando os sinais de entrada (força) e saída (aceleração) do sistema (Input-Output), obtidos com a máquina ferramenta em regime não operacional, através do teste de impacto. Neste trabalho o diagrama de estabilidade foi obtido através dos parâmetros estimados pela análise modal operacional (OMA, do inglês: Operational Modal Analysis), que tem como premissa a utilização somente do sinal de saída do sistema (Output Only) com a máquina ferramenta em regime operacional. Neste caso, os dados são obtidos através de acelerômetros fixados nas partes estáticas da máquina ferramenta, processados e submetido à técnica baseada na Decomposição no Domínio da Frequência (FDD, do inglês: Frequency Domain Decomposition) para a extração dos parâmetros modais que serão utilizados na obtenção do diagrama de lóbulos de estabilidade. Neste trabalho são demonstradas as vantagem e limitações de cada método, comparando os diagramas obtidos para cada caso, onde foi possível observar que o SLD via OMA se mostrou mais realista para a identificação de condições de estabilidade comparado ao EMA.
Realização de subestruturação nos domínios modal e espectral e estudo para estimação de FRF direta de ponta de ferramenta de usinagem.
(2022) Almeida, Ubiratã Sad; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Medeiros, Eduardo Bauzer; Neves, Francisco de Assis das; Pereira, Igor Cezar
Acabamento insatisfatório da peça usinada e baixa durabilidade de ferramentas são exemplos de problemas enfrentados no processo de usinagem. Um dos principais motivos causadores desses problemas diz respeito ao fenômeno de vibração auto-excitada conhecido como chatter. Ocorre quando a superfície ondulada deixada pelo passe anterior da ferramenta excita a própria ferramenta. Usualmente, a Função de Resposta em Frequência (FRF) de ponta de fresa de topo é obtida através de um ensaio dinâmico de impacto e é fundamental para o cálculo do diagrama de estabilidade e, consequentemente, para prevenção e identificação do fenômeno de chatter. Este trabalho avalia a viabilidade de utilização de métodos de subestruturação na estimação da FRF de ponta de fresa de topo. Ou seja, considera características dinâmicas de duas subestruturas separadamente (ferramenta e máquina) para estimar a característica da montagem final. Para tal, o trabalho analisa a aplicação de três métodos de subestruturação dinâmica com o objetivo de prever a FRF de ponta de uma fresa de topo. Os métodos são: Receptance Coupling Substructure Analysis (RCSA) por graus de liberdade rotacionais, RCSA acoplado em dois pontos e Modelo Agrupado. Para isso, são implementados métodos de subestruturação dinâmica baseados em acoplamento de receptâncias e redução modal de Craig-Bapton para um modelo numérico baseado no método de elementos finitos com algoritmos desenvolvidos em SCILAB utilizando geometrias simplificadas. São também desenvolvidas análises modais experimentais e modelos numéricos em elementos finitos utilizando geometrias mais precisas por meio de software comercial. O método de Modelo Agrupado apresentou bons resultados, mas com imprecisões que aumentam conforme o aumento da frequência de interesse. O método de RCSA por graus de liberdade rotacionais apresentou distorções vindas de o método realizar multiplicações em FRFs obtidas experimentalmente, onde os valores próximos de zero obtidos causam erros numéricos. Ao final, o método de RCSA acoplado em dois pontos se mostrou mais adequado para entregar resultados consistentes.
Subestruturação dinâmica por meio do método de CRAIG-BAMPTON aplicada a pórticos planos.
(2018) Mapa, Lidianne de Paula Pinto; Neves, Francisco de Assis das; Guimarães, Gustavo Paulinelli; Neves, Francisco de Assis das; Alves, Vinicius Nicchio; Guimarães, Gustavo Paulinelli
O presente trabalho tem como objetivo desenvolver o algoritmo de subestruturação linear através do método de Craig-Bampton para elementos de pórtico. Nesse contexto, busca-se esclarecer as formulações de acoplamento da síntese modal de componentes, mais especificadamente do método de Craig-Bampton. O algoritmo implementado foi aplicado ao acoplamento de vigas e pórticos. Essas aplicações foram direcionadas para otimização de estruturas, ou seja, quando deseja-se alterar a estrutura a fim de obter as frequências e modos naturais desejados. A redução da ordem de modelos proporcionada pelo método é descrita em cada aplicação. Análises via Método de Elementos Finitos (MEF) implementado e também através do software SAP 2000 possibilitaram a validação do algoritmo implementado.