Carlos De Marqui Junior.

O uso de veículos aéreos não-tripulados (VANTs) tem sido cada vez mais frequênte, com diversas aplicações de engenharia, militares e de entretenimento. Em particular, os VANTs inspirados em insetos e passáros têm demonstrando potencial para se desenvolver uma nova geração de veículos aéreos, com maior eficiência e flexibilidade para diferentes missões. No entanto, as características aeroelásticas destes veículos ainda são pouco conhecidas. Neste sentido, o presente projeto de pesquisa compreende investigações sobre a dinâmica aeroelástica de micro e pequenos VANTs bioinspirados. A pesquisa consiste em desenvolver modelos aeroelásticos para veículos tipo inseto e tipo pássaro, com ênfase em incluir os efeitos da flexibilidade estrutural e da aerodinâmica. O projeto também compreende o desenvolvimento de novos controladores para se obter forças de atuação capazes de manter o VANT em uma trajetória definida. Os controladores são especialmente baseados em desigualdades matriciais lineares devido a possibilidade se obter ganhos de controle ótimos ao se formular o problema envolvendo otimização convexa. A investigação considera aplicações de transporte de carga com voo de uma formação com múltiplos VANTs, bem como aplicações de monitoramento de fronteiras, para as quais tipicamente é necessário maior tempo de voo. Assim, células solares são consideradas distribuídas nos VANTs, com capacidade de geração de energia e recarregamento de baterias durante o voo. O projeto de pesquisa compreende também o projeto, fabricação e montagens destes VANTs, além de campanhas de ensaio em túnel de vento e em voo, visando comprovar as metodologias e modelagens desenvolvidas.

Uma consciência cada vez maior do impacto negativo da exposição ao ruído e vibração em nossa saúde, junto com demandas ecológicas e econômicas cada vez mais rígidas, levou a uma busca intensiva por soluções leves para os problemas de ruído e vibração. Os metamateriais mostraram grande potencial para superar as soluções tradicionais. Embora promissores, a fabricação de metamateriais está longe de ser madura: o uso do estado-da-arte depende de metodologias ad-hoc ou pontuais, já que as inclusões ressonantes são muitas vezes de geometria intrincadas, representando desafios significativos para produção em massa. Além disso, seu desempenho predominantemente de banda estreita constitui um obstáculo importante para se tornarem soluções de engenharia amplamente aplicáveis. O foco deste projeto é criar novos metamateriais manufaturáveis em massa, com inclusões passivas e inteligentes, para controle de ruído e vibração de banda larga. Para atingir esse objetivo desafiador, uma nova abordagem de fabricação modular será desenvolvida e demonstrada, combinando os recursos de produção em massa de moldes de injeção com a alta versatilidade da manufatura aditiva para permitir a integração de inclusões inteligentes. Uma estrutura eficiente de modelagem de metamateriais multifísicos será desenvolvida e construída para otimizar os parâmetros de inclusão e configurações espaciais a fim de obter desempenho vibroacústico de banda larga, que será validado em protótipos físicos de demonstradores.

Metapainéis são estruturas que excedem o desempenho típico de seus pares convencionais, explorando as propriedades das estruturas periódicas. Neste contexto, Metamateriais Programáveis se beneficiam das propriedades ajustáveis de materiais inteligentes (e.g. ressonadores piezelétricos e ligas com memória de forma) para adaptar o desempenho vibroacústico de estruturas aeronáuticas. Sistemas adaptativos podem ser reconfigurados em função de variações externas, como temperatura e umidade, ou em função de condições operacionais distintas como decolagem, pouso e cruzeiro. Neste projeto, investigaremos o desempenho vibro-acústico de painéis de metamateriais localmente ressonantes gradados cujo parâmetro de gradação é a frequência de ressonância de células unitárias. O ajuste das propriedades dinâmicas se dará no domínio elétrico (no caso das células piezelétricas) ou pela temperatura (no caso das células de ligas de memória de forma). Sendo assim, este projeto pretende explorar sistemas mecanicamente periódicos, com células unitárias uniformes, conectados a circuitos elétricos analógicos e digitais reconfiguráveis. Do acoplamento eletromecânico resultam sistemas cujas propriedades variam espacialmente (sistemas gradados) cujo desempenho vibroacústico depende do padrão de gradação. Além disso, esta técnica permite alterar a directividade de radiação sonora, com potencial de aplicação em manipulação de ondas acústicas. A viabilidade do uso combinado destas técnicas e o potencial de desempenho destas aplicações no controle de ruído e vibrações são questões de relevância atual e com potencial de criação de novos produtos. Desafios técnicos e acadêmicos serão abordados, dentre eles, destacam-se o desenvolvimento de estratégias eficientes de projeto e simulação destes sistemas complexos, a construção de protótipos e demonstradores para validar os modelos e estudos de caso, a análise de variabilidade e robustez inerentes ao processo e seu impacto no desempenho do sistema.

Este projeto combina esforços de grupos de pesquisa da Universidade de São Paulo, Universidade do Estado de São Paulo, Universidade de Campinas e Instituto Tecnológico de Aeronáutica, assim como de colaboradores internacionais, para pesquisas relacionadas a estruturas periódicas no contexto de materiais fonônicos e metamateriais elásticos/acústicos. Materiais fonônicos e metamateriais possuem comportamentos exóticos, como capacidade de reorganizar propagação de ondas, realizar mecanismos similares a diodos, apresentar bandgaps em determinadas faixas de frequência e capacidade de localização/concentração de energia, que não são observados em materiais naturais. Eles possuem grande potencial para substituir materiais tradicionais em aplicações desafiadoras na engenharia assim como viabilizar soluções inovadoras para diferentes problemas de engenharia. O projeto é organizado em quatro pacotes de trabalho com o intuito de solucionar desafios científicos relacionados com estruturas quase periódicas e acopladas, projeto e otimização de metaestruturas, estruturas periódicas não lineares e metaestruturas inteligentes. As interseções entre os pacotes de trabalho e os resultados deles esperados têm grande potencial para gerar novos conhecimentos e também aplicações com inovações científicas e tecnológicas relevantes em engenharia mecânica e aeroespacial.

Metamaterials are a class of engineered material exhibiting properties that do not occur naturally or are not obtained from their constituent materials. Elastic/acoustic metamaterials can tailor the propagation of elastic waves through the generation frequency ranges of strong wave attenuation (bandgaps), that are either the result of wave scattering at periodic impedance mismatch zones (Bragg scattering) or are generated by resonating units. Although the use of smart materials has been explored by different research groups to obtain linear locally resonant piezoelectric metastructures, the development of smart metastructures with adaptive characteristics still deserves significant research efforts. Therefore, this goal in this proposal is to present experimentally validated modeling of adaptive smart metastructures by exploiting piezoelectric materials combined with linear and nonlinear shunt circuits as well as the different effects of shape memory alloys. In the first case (piezoelectricity), different types of nonlinearities will be added to the electrical domain of the problem (polynomial nonlinearities, nonlinear energy sinks, negative mass density and stiffness) to obtain multi-mode and wideband frequency regions of strong wave attenuation. Nonlinear analog and digital shunt circuits will be developed to obtain adaptive bandgap and also periodic structures acting as a filter for travelling waves and break symmetry of wave propagation. In the second case, tunable metamaterials will be obtained by exploiting temperature activation of SMA springs and also pseudoelasticity. The content of the present proposal is agreement with the previous experience of the Laboratory of Aeroelasticity and Smart Structures (LASS) of the EESC USP in collaboration with the Smart Structures and Dynamical Systems Laboratory (SSDSL) of the Georgia Institute of Technology.

Os materiais piezelétricos têm sido amplamente utilizados em pesquisas que visam a atenuação de vibrações em diversos ramos da engenharia. Em geral, os sistemas de controle de vibrações utilizando piezelétricos são classificados como sistemas ativos ou sistemas passivos. No primeiro caso, o efeito piezelétrico inverso é utilizado e uma fonte externa de energia é necessária para a alimentação do sistema e de todos os equipamentos utilizados. No segundo caso, o efeito piezelétrico direto é utilizado e circuitos relativamente simples, compostos por elementos passivos, são conectados aos materiais piezelétricos com o intuito de dissipar a energia. Recentemente, estes materiais passaram a ser associados a circuitos chaveados para o tratamento não linear de sua saída elétrica (tensão/corrente), resultando nos controladores semiativos e semipassivos. Diferentes configurações de circuitos piezelétricos chaveados são apresentadas na literatura para a atenuação de vibrações. O princípio de funcionamento de alguns deles pode ser diretamente comparado com o princípio de sistemas mecânicos utilizados para a redução de vibrações provenientes do rotor principal de helicópteros. Um desses sistemas é o pitch link ativo apresentado e recentemente testado com sucesso por pesquisadores canadenses. Tal sistema possibilita a combinação de molas para a variação de rigidez no pitch link. Quando realizada em momentos adequados, tal alteração de propriedade propicia a atenuação de oscilações associadas a frequências relevantes para o conforto de passageiros e redução de vibrações na aeronave. Apesar dos bons resultados obtidos com o pitch link ativo, sues autores apontam alguns pontos negativos, como dependência de uma fonte externa de energia para seu funcionamento e possibilidade de falhas mecânicas. Com o intuito de contornar tais pontos negativos, a presente proposta tem o objetivo de desenvolver sistemas piezelétricos autoalimentados para a atenuação de vibrações em helicópteros. Pata tal, serão combinadas técnicas de coleta piezelétrica de energia com técnicas semiativas e semipassivas de controle de vibrações utilizando piezelétricos. Dois enfoques serão realizados. No primeiro, piezocerâmicas serão embutidas na região da raiz de uma pá para coleta de energia e redução de vibrações utilizando o processamento não linear de sua saída elétrica. Um modelo numérico eletroaeroelástico será desenvolvido para a simulação de pás eletromecanicamente acopladas. No segundo caso, o objetivo é desenvolver e testar experimentalmente um pitch link piezelétrico semiativo e autoalimentado para a redução de vibrações transmitidas através de tal elemento. Todos os casos serão verificados experimentalmente em ensaios modais e também em testes em whirl tower.

A conversão de energia de vibração em energia elétrica tem sido investigada por diversos grupos de pesquisa na última década. A principal motivação encontra-se na possibilidade de se obter fontes alternativas de energia elétrica para sistemas eletro-eletrônicos remotamente operados e com fontes limitadas de energia. Uma aplicação interessante é a alimentação de sistemas de verificação de integridade estrutural (SHM do inglês) que podem estar localizados ao longo da estrutura de aeronaves. No caso helicópteros, a possibilidade de coleta e de disponibilização de energia elétrica nas pás eliminaria a necessidade de transmissão desde a fuselagem (referência fixa) até a referência rotativa (pás) para alimentação de tais sistemas. Diferentes mecanismos de transdução são investigados na literatura para a coleta de energia, entretanto, o piezelétrico tem se destacado devido a densidade de energia que proporciona e também facilidade de uso. Uma conseqüência da geração piezelétrica de energia é o efeito shunt damping, que traz consigo o benefício de atenuação de vibrações. A presente proposta tem o objetivo de desenvolver dispositivos piezelétricos para coleta de energia e atenuação de vibrações em rotores de helicópteros. Dois enfoques serão desenvolvidos. No primeiro, o objetivo é o desenvolvimento de um modelo numérico para a simulação de pás de helicópteros com piezocerâmicas embutidas para a investigação do comportamento eletroaeroelástico do sistema. Neste caso, a contribuição do pesquisador visitante vem com sua experiência no desenvolvimento de modelos de pás obtidos a partir do método variacional assintótico (VAM, do inglês). O grupo proponente tem experiência em problemas piezoaeroelásticos para geração de energia. No segundo enfoque o objetivo é o desenvolvimento de um dispositivo piezelétrico passivo para coleta de energia e supressão de vibrações no pitch link da aeronave. O pesquisador visitante tem grande experiência com o desenvolvimento de uma smart spring u

Apesar de sua natureza destrutiva o flutter apresenta um grande potencial para o estudo de novos métodos para a extração de energia do escoamento e sua conversão em energia elétrica. Alguns autores apontam que este tipo de gerador poderá ser uma alternativa ao uso de geradores eólicos tradicionais principalmente para o uso em áreas urbanas ou aplicações que exijam sistemas com dimensões reduzidas. 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. A literatura recente mostra que a transdução piezoelétrica tem recebido grande atenção para a conversão de energia mecânica em energia elétrica. Assim, o objetivo deste projeto é o desenvolvimento de um modelo numérico piezoaeroelástico não-linear para a simulação de uma seção típica eletromecanicamente acoplada. O modelo será verificado a partir de ensaios em túnel de vento que serão realizados com um sistema experimental para ensaios de flutter previamente desenvolvido. Este sistema será modificado com a inclusão de piezocerâmicas para a realização de testes de geração de energia. A investigação das conseqüências da geração de energia sobre a resposta aeroelástica do sistema também será investigada

O objetivo deste Instituto é coordenar competências e esforços de pesquisa dos grupos participantes para a geração de conhecimento científico acerca de estruturas que podem ter suas características físicas controladas mediante alterações de certos parâmetros ambientais ou operacionais, denominadas estruturas inteligentes e sua utilização efetiva para a formação de recursos humanos de alto nível e inovação tecnológica no Brasil.
Dentro do Instituto este pesquisador é responsável pelo sub-projeto "Estruturas Multifuncionais para Aeronaves Autônomas". O objetivo deste sub-projeto é o estudo de estruturas que possam realizar tarefas adicionais complementares a sua função original. Especificamente busca-se o uso de materiais piezoelétricos para a conversão de oscilações aeroelásticas em energia elétrica (vibration based energy harvesting). Além disso, atuadores piezoelétricos (MFCs) serão utilizados para atribuir a capacidade de variação da geometria da esrtutura, atribuindo também a capacidade morphing à asa multifuncional.

Projeto Universal Cnpq - Análise de Flutter em Tempo Real - Parte 1.
		Descrição: Esta proposta corresponde à primeira fase de um projeto de pesquisa de identificação em tempo real de flutter
		para ensaios em vôo. Esta primeira fase propõe o estudo e desenvolvimento de algoritmos que permitam a identificação de
		parâmetros modais em tempo real para ensaios em túnel de vento. Em uma segunda fase será desenvolvida a pesquisa
		para a identificação em tempo real para ensaios em vôo.
		No projeto proposto pretende-se desenvolver, programar e aplicar métodos de identificação e previsão, em
		tempo real, das condições de ocorrência de flutter. Os métodos desenvolvidos e programados serão testados
		experimentalmente em modelos estruturais apropriados em ensaios em túnel de vento. Fazem parte desta proposta o
		projeto, a construção e a utilização de estruturas especificamente desenvolvidas para os ensaios, a instrumentação destas
		estruturas, o projeto experimental dos ensaios a serem realizados fora e dentro do túnel de vento, a análise aeroelástica
		para a previsão da ocorrência de Flutter, a especificação e montagem do sistema de monitoração, aquisição e
		processamento dos dados em tempo real e, finalmente o estudo, desenvolvimento e programação de algoritmos de
		identificação e previsão de Flutter.
		A indústria aeronáutica é uma área estratégica para o país. O projeto, desenvolvimento e fabricação de seus
		produtos exigem um alto grau de desenvolvimento tecnológico, agregando valor às aeronaves produzidas. Não por acaso,
		a indústria aeronáutica é responsável, isoladamente, pelo principal item da pauta de exportações brasileira. Desta forma, a
		manutenção da competitividade desta indústria é de vital importância para o país. Esta competitividade somente pode ser
		atingida através de um continuado investimento em pesquisa e desenvolvimento e formação de recursos humanos
		especializados, objetivos principais deste projeto de pesquisa.