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Resumo:

Ligas com memória de forma tem tido grande interesse como material que pode ser aplicados em amortecimento passivo bem como amortecimento ativo de vibrações. A capacidade de amortecimento passivo encontra sua origem na fase martensítica termoelástica devido à histerese na mobilidade das variantes da martensita. No entanto existe um interesse especial no amortecimento de elevados valores de deslocamento. Esse aspecto tem sido estudado como uma ferramenta de proteção de prédios contra terremotos em regiões de atividades sísmicas. A capacidade ativa de amortecimento pode ser obtida por recuperação vinculada de deformação de fios de ligas com memória de forma. Esses fios controlam a energia interna das estruturas, permitindo uma modificação modal controlada e ajustada das propriedades dinâmicas dos elementos estruturais. Além dos danos por impacto, é possível ter ativamente um controle dinâmico de forma e como conseqüência obter melhora da resistência à fadiga, melhor desempenho e longa vida útil de elementos estruturais. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um absorvedor dinâmico de vibrações, utilizando a aplicação de simulações matemáticas e a construção de um absorvedor utilizando uma liga de NiTi com efeito de memória de forma.

Palavras chave: Ligas de NiTi, Efeito de Memória de forma, Recuperação vinculada, Absorvedor dinâmico de vibrações.

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1. INTRODUÇÃO

O problema de atenuação dos níveis de vibração em máquinas e estruturas está freqüentemente presente em vários ramos da atividade produtiva, tais como nas indústrias de construção civil, automotiva, aeronáutica, naval, de geração e distribuição de energia, bélica, etc. A importância atribuída à resolução deste problema vem crescendo continuamente, determinada pela tendência de realização de configurações estruturais de grande extensão e peso moderado, pela rapidez crescente das máquinas e pelo rigor cada vez maior dos padrões sanitários, estabelecendo limites restritos para os níveis aceitáveis de vibrações e ruído.

Técnicas modernas de controle passivo, ativo e adaptativo dos níveis de vibrações em sistemas mecatrônicos vem sendo obtidas com a utilização dos chamados materiais inteligentes que abrem novas possibilidades de se obter as características desejadas de adaptabilidade em amplas faixas de operação, com mínimo consumo de energia (Sun et al., 1995). Os materiais inteligentes são entendidos como aqueles cuja geometria e/ou propriedades físicas (mecânicas, térmicas, ópticas, etc.) podem ser variadas de forma controlada, mediante a variação das condições ambientais tais como o campo elétrico, o campo magnético, temperatura, etc (Rogers, 1992) (Banks et al., 1996).

Dentre os diversos materiais inteligentes surgem as Ligas com Memória de Forma como uma ferramenta útil para o controle passivo e adaptativo de vibrações mecânicas.

Ligas com memória de forma são materiais metálicos capazes de assumir uma forma previamente definida, quando sujeitos a certas temperaturas. Assim, estes materiais convertem energia térmica em trabalho mecânico. Este fenômeno é conhecido como efeito memória de forma e é causado por uma transformação de fase do material cristalograficamente reversível. A liga de Níquel – Titânio chamada de “Nitinol”, é a liga mais utilizada para este tipo de material (Shahin et al., 1997) e pode ser explorada ainda mais uma vez que esta pode ser utilizada como uma ferramenta bastante útil na busca de sistemas de controle passivos e adaptativos de alta complexidade. (Moallem & Lu, 2005) (Michaud, 2004) (Williams et al., 2005).

Dentro deste contexto, surgem os Absorvedores Dinâmicos de Vibrações (ADVs) (Cunha Jr, 1999), que são dispositivos constituídos de massa-mola-amortecedor e que uma vez conectados a uma dada estrutura são capazes de absorver a energia vibratória no ponto de conexão, como uma alternativa bastante robusta e barata e que podem ser constituídos de materiais com memória de forma. Desta forma, devido à possibilidade de variação da temperatura de trabalho do ADV, este poderá atenuar vibrações em diferentes faixas de freqüência fazendo com que o mesmo possa se tornar uma estrutura adaptativa com inúmeras vantagens e diversas aplicações no parque tecnológico.

ADVs adaptativos são dispositivos cujos parâmetros físicos podem ser contínua e automaticamente variados de modo que os mesmos estejam sempre sintonizados, independentemente de variações na freqüência de excitação. O surgimento dos chamados materiais inteligentes tais como os materiais com memória de forma abrem novas possibilidades para se obter as características desejadas de adaptabilidade em amplas faixas de operação, com mínimo consumo de energia (Sun et al., 1995).

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2. ABSORVEDORES DINÂMICOS DE VIBRAÇÕES

Em sua configuração mais simples, os ADV passivos são constituídos por sub-sistemas do tipo massa-mola-amortecedor que, uma vez acoplados à estrutura da qual deseja-se atenuar os níveis de vibrações, absorvem parcial ou totalmente a energia vibratória no ponto de acoplamento (Korenev e Reznikov, 1993) (Cunha Jr., 1999).

A Figura 1 mostra um esquema típico de um ADV passivo acoplado a uma estrutura de 1 grau de liberdade.

Figura 1. Esquema de um ADV passivo não amortecido de 1 GDL.

Existem hoje diversas aplicações nos diferentes ramos da atividade produtiva para os ADVs passivos, destacando-se as seguintes aplicações:

Estruturas de engenharia civil tais como altos edifícios, camarotes, pontes rodoviárias, passarelas para pedestres e plataformas offshore as quais são geralmente excitadas em seus primeiros modos de vibração por terremotos, ventos e ondas oceânicas,

Cabos aéreos de transmissão de energia elétrica,

Rotores de helicópteros sujeitos a vibrações torcionais,

Cabines de aeronaves,

Máquinas-ferramenta.

Independentemente da configuração adotada, a utilização dos ADVs passivos é restrita, uma vez que eles devem ser projetados para atenuar componentes vibratórias a uma dada freqüência fixa (diz-se então que o ADV é sintonizado para este valor de freqüência). Caso o valor dessa freqüência venha se modificar, o absorvedor perde sua eficiência, e o sistema com ADV pode até mesmo apresentar amplitudes de vibração mais elevadas que as do sistema sem ADV.

Afim de evitar este problema causado pela má sintonização dos ADVs passivos, vem sendo explorada a utilização de ADVs adaptativos, que possuem a capacidade de se adaptar às mudanças tanto na freqüência de excitação como nas características da própria estrutura principal cujas vibrações se deseja atenuar.

k1

k2

x1(t)

m2

m1

x2(t)

i t0F e

sistema absorvedor

estrutura primária

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Dentro deste contexto, surgem as ligas com memória de forma que poderão dar ao ADV uma característica de adaptabilidade devido a uma mudança controlada na temperatura da liga.

3. LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA

O fenômeno do Efeito Memória de Forma (EMF) pode ser definido como sendo a capacidade de certos materiais voltarem ao estado ou à forma original com o aquecimento em temperaturas acima da temperatura final de transformação da martensita em austenita após serem deformados plasticamente no estado martensítico. Ligas convencionais apresentam deformações plásticas permanentes quando deformadas além de seu limite elástico.

As primeiras descobertas sobre o efeito Memória de Forma foram deitas em 1932 por ÖRLANDER, com a observação do comportamento pseudo-elástico da liga de Au-Cd. GRERINGER e MOORADIAN observaram, em 1938, a formação e o desaparecimento da fase martensítica por meio da redução e do aumento da temperatura da liga de Cu-Zn. A base do fenômeno de memória de forma é governada pelo comportamento termo-elástico da fase martensítica, o qual, uma década depois, foi amplamente registrado por KURDUMOV e KHANDROS em 1949 e por CHANG e READ em 1951. Na década de 1960, BUEHLER e seus companheiros descobriram o efeito de memória de forma das ligas equiatômicas de níquel-titânio (NiTi), em U. S. Naval Ordenance Laboratory), que foram consideradas um avanço no campo dos materiais com memória de forma. Esta liga de NiTi foi chamada de NITINOL (Nickel Titanium Naval Ordenance Laboratory). Desde então, intensas pesquisas foram realizadas para esclarecer os mecanismos de seu comportamento básico de memória de forma.

Uma liga com memória de forma pode apresentar uma capacidade de amortecimento de vibrações. Quando um material com memória de forma austenítica é carregado ciclicamente com cargas além de um valor crítico, a transformação martensítica é induzida mecanicamente, acompanhada por uma histerese. Essa histerese representa a energia dissipada (Schmidt, 2004).

A capacidade de amortecimento da fase martensítica termoelástica está relacionada à histerese do movimento das interfaces (interface variante da martensita, borda de maclas) (Humbeeck, 2003). Essa histerese do movimento das interfaces das maclas pode produzir um atrito interno que dissipa as energias absorvidas das vibrações que pode ser controlado por meio das interações entre discordâncias e outras falhas dos látices.

As ligas de NiTi está entre as mais importantes ligas com memória de forma por causa de seu excelente efeito de memória de forma e superelasticidade, e portanto apresenta uma elevada capacidade de amortecer vibrações, pois exibe um elevado pico de atrito interno associada a um módulo de cisalhamento mínimo durante a transformação martensítica mecanicamente induzida, e por causa desse fato é favorável a sua utilização em aplicações que necessitam de dissipação de energia. Esse fato também contribui no aumento da vida em fadiga dessa liga já que uma parcela da austenita é transformada em martensita que apresenta menor rigidez.

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4. JUSTIFICATIVAS

A utilização prática dos diversos tipos de materiais inteligentes vem sendo amplamente avaliada em diversas áreas da engenharia moderna dentre elas a engenharia mecânica. Assim, o estudo da aplicabilidade das ligas com memória de forma na concepção de absorvedores dinâmicos de vibrações no controle passivo e adaptativo de vibrações em sistemas mecânicos, no âmbito de uma iniciação científica, justifica-se pela importância tecnológica destes dispositivos e principalmente pela formação acadêmica diferenciada que se deseja ao aluno.

5. OBJETIVOS

Os objetivos almejados com este trabalho de iniciação científica são:

Fazer um amplo estudo acerca das ligas com memória de forma avaliando seu desempenho e características operacionais;

Avaliar diferentes configurações de absorvedores dinâmicos de vibrações constituídos com as ligas com memória de forma na busca por sistemas capazes de atenuar vibrações mecânicas em diferentes máquinas e estruturas;

Propor a construção de um ADV adaptativo contendo ligas com memória de forma para ser utilizado em experimentos em laboratório;

Apresentação dos resultados em eventos científicos;

Do ponto de vista da formação do aluno, o estudo tem por objetivo promover seu treinamento na metodologia científica, além da aquisição e geração de conhecimentos pertinentes à sua formação acadêmica.

6. VINCULAÇÃO COM OS GRUPOS DE PESQUISA DOS ORIENTADORES

O desenvolvimento deste trabalho se enquadra ao grupo de pesquisa no qual o orientador participa, uma vez que se trata do desenvolvimento de uma aplicação de ligas com memória de forma com grande potencial de utilização na área de controle de sistemas aeronáuticos, que é uma linha de pesquisas atualmente desenvolvidas dentro do grupo de pesquisa.

Este projeto de iniciação cientifica se enquadra perfeitamente ao grupo de pesquisa no qual faz parte o co-orientador, uma vez que se trata de controle de vibrações que são linhas de pesquisas atualmente desenvolvidas dentro do grupo de pesquisa no qual o mesmo faz parte.

7. METODOLOGIA

O estudo terá duração de 12 meses e compreenderá as seguintes etapas:

A) Revisão bibliográfica: nesta etapa será feito um amplo levantamento bibliográfico visando conhecer o “estado da arte” e os fundamentos acerca de:

- princípio de funcionamento das ligas com memoria de forma;

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- configurações e materiais usados na confecção das ligas com memoria de forma;

- princípio de funcionamento dos absorvedores dinâmicos de vibrações.

B) Familiarização com software: busca-se nesta etapa que o aluno adquira um conhecimento mínimo necessário para a utilização dos softwares MATLAB® e SOLIDWORKSTM que serão utilizados nas simulações numéricas bem como para o projeto construtivo do ADV.

C) Estratégia de controle: será realizado um estudo buscando uma estratégia de controle que possibilite a utilização das ligas com memoria de forma no controle dos niveis de vibrações em sistemas mecânicos.

D) Simulações numéricas: serão realizadas simulações numéricas empregando sistemas estruturais simples.

E) Análise dos resultados, redação de relatórios e elaboração de publicações científicas: Tem-se como meta a publicação de artigos a serem apresentados em conferências científicas de âmbito nacional e local bem como a confecção de um relatório final de pesquisa.

As etapas acima serão executadas de acordo com o seguinte cronograma:

MÊS

ETAPA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

A *** *** *** *** *** ***

B *** *** *** *** *** ***

C *** *** *** ***

D *** *** *** *** ***

E *** *** *** *** ***

As simulações numéricas serão realizadas no GEMEC – Grupo de Mecânica Computacional e este oferece todas as condições para a realização deste projeto de pesquisa já que possui uma boa infra-estrutura de micro computadores, livros, periódicos, softwares sem contar com a colaboração de alunos de pós-graduação tanto a nível de mestrado quanto de doutorado.

Já os ensaios experimentais, caso sejam possíveis, serão realizados no Laboratório de Vibrações e Acústica da UNIFEI que também fornece condições para a realização dos experimentos.

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8. BIBLIOGRAFIA

BANKS, H. T., SMITH, R. C., WANG, Y., 1996, “Smart Material Structures – modeling, estimation and control”, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, UK, 304 pp.

CUNHA Jr., S. S., 1999, “Estudo Teórico e Numérico de Absorvedores Dinâmicos de Vibrações”, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, MG, Brasil.

MICHAUD, V., 2004, “Can shape memory alloy composites be smart?”, Ccripta Materialia 50, pp. 249-253.

MOALLEM, M., LU, J., 2005, “Application of Shape Memory Alloy Actuators for Flexure Control: Theory and Experiments”, Transactions on Mechatronics, vol. 10, no 5.

ROGERS, C. A., 1992, “Intelligent Material Systems – The Dawn of a New Materials Age”, extracted form the book – The Engineering, Science, and Art of Smart Material Systems, Center for Intelligent Material Systems and Structures.

SHAHIN, A. R., MECKL, P. H., JONES, J. D., 1997, “Modeling of SMA Tendons for Active Control of Structures”, Journal of Intelligent Material and Structures, Vol. 18, pp. 51-70.

SUN, J. Q., JOLLY, M. R., NORRIS, M. A., 1995, “Passive, Adaptive and Active Tuned Vibration Absorbers – a Survey”, Journal of Mechanical Design, Transaction of the ASME, vol. 117B, pp. 234-242.

WILLIAMS, K. A., CHIU, G. T. C., BERNHARD, R. J., 2005, “Nonlinear control of a shape memory alloy adaptive tuned vibration absorber”, Journal of Sound and Vibration, vol. 200, pp. 1131-1155.

HUMBEECK, J. VAN, “Damping capacity of thermoelastic martensite in shape memory alloys”, Journal of Alloys and Compounds 355, 2003, p-58~64

SCHMIDT, I., LAMMERING, R., “The damping behaviour of superelastic NiTi components”, Materials Science and Engineering A 378, 2004, p-70~75