não-linearidades e controle em uma treliça pseudo-elástica
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Não-lineariedades e controle em
uma treliça pseudoelástica
Marcel Vítor Santana dos Santos Orientadora: Aline Souza de Paula
PROJETO DE GRADUAÇÃO
Sumário
1– Motivação
2 – Contexto teórico
3 – Ferramentas de análise
4 – Implementação do controle
5 – Apresentação dos resultados
6 – Padrões e análise de sensibilidade
7 – Conclusão e perspectivas
Motivação e exemplos de aplicações
Materiais Inteligentes
(SMA)
Controle de caos
Sistemas dinâmicos
não-lineares
1 - Controle de operação 2 - Novos produtos 3 - Otimização estrutural
Treliça de Von Mises – modelo geral
Sistema mecânico com duas barras
Comportamento bi-estável
Não-linearidades geométricas
Liga de memória de forma
Não-linearidades constitutivas
Dinâmica de transição de fase
Forçamento externo
Massa concentrada no ponto de junção das barras
Deformação simétrica
Presença do fenômeno snap-through
CONTEXTO
SMA – Comportamento geral
Efeito memória de forma
Efeito memória de forma
SMA – Comportamento geral
Efeito pseudoelástico
Efeito mudança de temperatura
Diminuição da temperatura
• Martensita (A-B)
Aumento da temperatura
• Austenita (C-D)
Efeito pseudoelástico
• Somente austenita
• Estado livre de tensões
Efeito pseudoelástico
• Analisado neste trabalho
Modelagem matemática – movimento
Deformação (ε)
• Lei de Hooke
• E = EM + β3 (EA – EM)
Fração volumétrica
• β1 = M+ (não-maclada)
• β2 = M - (não-maclada)
• β3 = A
• β4 = 1−(β1+β2+β3)
Temperatura (T)
• Expansão térmica
• Ω = ΩM + β3 (ΩA – ΩM)
Modelagem matemática – movimento
Modelagem matemática – movimento
Modelagem matemática – evolução
Procedimento numérico
Linguagem
• Programa C++
Simulações
• 3000 períodos
• Discretizados (1200 partes)
Runge Kutta
• 4ª ordem
• ∆τ = π/1000ϖ
Modelo constitutivo
• Método de Projeção Ortogonal (Savi)
ANÁLISE
Sistemas dinâmicos não-lineares
Espaço de fase Hiperplano Seção de Poincaré
Vibração forçada – resposta dinâmica
Forçamento
• Amplitude constante
• γ = 0,01
Variação (frequência)
• Variação de regimes
• Diagrama de bifurcação
• 200 períodos de forçamento
Caso de estudo
• Frequência
• = 0,3347
Regime caótico
Dinâmica no espaço de fase
Dinâmica de transição de fases
CONTROLE
Órbitas periódicas instáveis
Seção de Poincaré
Varre-se todos os pontos
contidos na série temporal
Verifica-se quais os pares
que satisfazem à condição:
Tolerância determinada
OPIs encontradas
Período 1
Período 2
Período 4
Órbitas mostradas em detalhes
Método TDF (Time-Delay Feedback)
K é a matriz de ganho e xτ é a defasagem do método
Se a defasagem coincidir com a periodicidade da i-ésima OPI, a perturbação se anula para a solução do sistema que é correspondente a esta OPI.
x(t) variáveis de estado
Q(x,t) dinâmica do sistema
B(t) ação de controle
Modelagem – termo de controle
Modelagem – termo de controle
RESULTADOS
Resultados (τ = 1 e K = 0)
Resultados (τ = 1 e K = 0,5)
Resultados (τ = 1 e K = 1)
Resultados (τ = 1 e K = 1) – transiente
Resultados (τ = 2 e K = 0,7)
Resultados (τ = 4 e K = 0,5)
Efeito Transiente
Convergência
• O método TDF apresenta dificuldades para altas periodicidades (τ)
Avaliação de resultados
• Cuidado: caótico ou quase-periódico?
Avaliação de resultados
• Múltiplas perspectivas
Mapa de resultados
Ganho (K) 0 0,10 0,20 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,70 0,75 1,0
Defasagem (τ = 1) C P4 QP QP P2 QP QP QP QP QP P1 P1 P1
Defasagem (τ = 2) C C C C C C* C C C C P2 C* C*
Defasagem (τ = 4) C C C C C C* QP C C C* C* C* C*
Aplicação do método de controle pode ser considerada bem sucedida para todos os valores de ganho K
aplicados para uma defasagem τ = 1
A resposta de comportamento quase-periódico e periódico não
apresenta correlação com o aumento do valor de ganho
PADRÕES E ANÁLISE
DE SENSIBILIDADE
Padrões – regime caótico
Espaço de fase desorganizado
Visita os dois lados do sistema sem padrão bem definido
Presença de estados livre de tensões
Transições de fase com aspecto “borrado”
Sinais de controle sem padrão bem definido no espaço
Padrões – regime quase-periódico
Espaço de fase organizado
Visita aos dois lados do sistema com padrão bem definido
Nunca alcança um estado livre de tensões
Coexistência de laços de histerese
Sinal de controle com comportamento “ampulheta”
Padrões – regime periódico
Espaço de fase organizado
NO SNAP-THROUGH
Presença do estado livre de tensões
Laços de histerese claramente separados
Sinais de controle com padrão bem definido no espaço
Análise de sensibilidade – frequência
Análise de sensibilidade – amplitude
CONCLUSÃO
E PERSPECTIVAS
Conclusões
• O sistema de treliça composto por SMA em regime pseudoelástico apresenta comportamento bastante complexo 1
• O método TDF mostrou-se eficaz para controlar o sistema inicialmente caótico, especialmente para a utilização de valores de periodicidade baixos 2
• Após a aplicação do método de controle, foi possível identificar padrões muito fortes de comportamentos caóticos, quase-periódicos e periódicos 3
• O controle evitou o comportamento snap-through e reduziu significativamente os valores de tensão envolvidos 4
Perspectivas
• Alterações na aplicação do modelo de controle TDF, e abordagens com outros métodos devem ser consideradas 1
• Métodos de identificação de caos como o expoente de Lyapunov devem ser levados em consideração, apesar da dificuldade de implementação (cálculo do ganho) 2
• Investigações do comportamento da treliça em diferentes temperaturas podem revelar nuances interessantes e novos desafios para a abordagem de controle utilizada
3
Muito obrigado!