Leopoldo Pisanelli Rodrigues de Oliveira.

Metamateriais são estruturas projetadas para exibir propriedades que não são encontradas em materiais naturais. Eles têm atraído atenção devido à sua capacidade excepcional de manipular ondas, melhorar o comportamento mecânico e modificar outras propriedades físicas. A integração de materiais inteligentes permite que essas estruturas sejam programadas para adaptar suas propriedades em condições variadas. Embora a modelagem e as realizações experimentais de metamateriais inteligentes programáveis tenham avançado nos últimos anos, a fabricação continua sendo um desafio a ser enfrentado. A tecnologia de impressão 4D surgiu recentemente como uma solução promissora para alcançar essas capacidades programáveis, ao combinar manufatura aditiva com materiais responsivos a estímulos. Essa abordagem permite que estruturas mudem de forma ou propriedades ao longo do tempo quando expostas a fatores externos. Consequentemente, integrar a impressão 4D com metamateriais oferece um caminho promissor para o desenvolvimento de sistemas inteligentes e programáveis com propriedades altamente ajustáveis. O projeto SPRINT oferece uma oportunidade para que os dois grupos se familiarizem com os projetos e as capacidades em andamento de cada um, combinando a experiência que ambos desenvolveram independentemente em metamateriais inteligentes e impressão 4D. Ao final do projeto, espera-se que, além das oportunidades de aprimorar o projeto ENVIBRO, os dois grupos de pesquisa estejam posicionados para colaborar em um projeto conjunto muito maior, focado em metamateriais inteligentes por meio da impressão 4D.

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.

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. (AU)

A presente proposta visa investigar técnicas eficientes de modelagem, projeto e manufatura de estruturas leves que se aproveitem das propriedades de sistemas periódicos (metamateriais) no controle de ruído e vibrações. Estas estruturas têm o potencial de fornecer desempenho no controle destas grandezas indesejáveis a um baixo custo de massa adicionada, contribuindo para maior eficiência energética de máquinas e veículos. Ainda, a aplicação de técnicas de manufatura aditiva deve contribuir para a realização de geometrias intrincadas necessárias para estes sistemas periódicos, ao mesmo tempo em que fornece um campo de desenvolvimento e motivação para o uso desta tecnologia emergente. Desta forma, este projeto contribui com as Áreas Prioritárias definidas pelo MCTI, da seguinte maneira: Tecnologias Estratégicas: Espacial - Aplicação em isolamento acústico e controle de ruído e vibração em estruturas aeroespaciais; Tecnologias Habilitadoras: Materiais avançados - uso competitivo de metamateriais para aplicações com alta demanda de desempenho em materiais (mobilidade, aeroespacial e equipamentos); Tecnologias de Produção: Indústria - Promoção de uma demandas específicas para tecnologias eminentes como a da manufatura aditiva metálica, com potencial de desenvolvimento para esta área; Tecnologias para o Desenvolvimento Sustentável: Energias renováveis - por se tratarem de soluções potencialmente competitivas na relação desempenho/peso, metamateriais acústicos devem contribuir para a eficiência energéticas de máquinas e veículos

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.

Um dos desafios encontrados nas aplicações de materiais compostos e estruturas leves é o balanço entre desempenho energético e susceptibilidade a altos níveis de vibração e ruído. No projeto sequencial, em que elementos estruturais são otimizados individualmente, para redução de massa, é comum que o conjunto apresente níveis insatisfatórios de vibração e transmissão de ruído, requerendo soluções paliativas com custo da massa adicionada, como é o caso, por exemplo, de tratamento acústico ou aplicação de materiais visco-elásticos (em geral, densos e com baixo módulo de elasticidade) que não conferem propriedades de resistência ao conjunto. Se indesejadas em aplicações de máquinas e veículos, estas soluções podem ser proibitivas nos casos em que a massa do conjunto está diretamente ligada com a sua viabilidade, como é o caso da maioria das estruturas aeroespaciais. Desta forma, pretende-se com este projeto, estudar técnicas de controle passivo e semiativo dedicadas a aplicações em estruturas leves, para redução da transmissão de ruído e vibração. Neste contexto, os metapainéis seriam estruturas que excedem o desempenho típico de seus pares convencionais, explorando os benefícios das estruturas periódicas passivas e semiativas. No caso das estruturas passivas, pretende-se explorar o potencial dos métodos de manufatura aditiva na construção destas intrincadas estruturas, enquanto que as estratégias semiativas visam explorar as propriedades de conversão de energia encontradas em materiais inteligentes (como PZT) e o emprego de circuitos elétricos dissipadores, também sob a ótica das estruturas periódicas. 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, entre outros, destacam-se (i) o desenvolvimento de estratégias eficientes de projeto e simulação destes sistemas multifásicos e com alto número de graus de liberdade e (ii) a investigação da viabilidade do uso de diferentes técnicas de manufatura aditiva para esta finalidade, incluindo a análise de variabilidade inerente ao processo e seu impacto no desempenho do sistema.

A otimização do processo de usinagem busca não só a redução do tempo de inatividade da máquina como também o aumento da qualidade das peças fabricadas e do tempo de vida da ferramenta e da máquina em si. Propõe-se o monitoramento de certas características de uma máquina ferramenta a partir da implementação de um sistema de aquisição de dados que devem ser transmitidos a um computador responsável pela leitura. Essas medições podem ser feitas em posições estacionárias, como nos mancais; ou diretamente no eixo-árvore de uma máquina ferramenta, uma opção pouco explorada por envolver o sensoriamento de um componente em constante rotação. Para isso, a utilização de um sistema de transmissão de dados baseado em sinais de luz pode ser uma solução inovadora para a dificuldade existente na transferência de dados de uma máquina ferramenta em operação de forma sem fio.

New targets of the automotive industry in reducing fuel consumption and environmental impact, while maintaining or even improving vehicle's performance, force the companies to migrate to new propulsion paradigms. The use of lightweight materials for building structural systems in conjunction with hybrid and/or electric propulsion systems may have a negative impact on the perception of the auditory phenomena at the passenger's cavity, as the internal combustion engine disturbance is no longer present, and the materials' low damping lead to the perception of undesired transitory and high-frequency disturbances, which deteriorate the sound quality of the vehicle. This study deals with the development of both numerical and experimental strategies for approaching the perceived sound quality at the passengers' cavity, during the operation of the propulsion system in hybrid/electric vehicles. Electrical-mechanical control systems will be implemented over the power driver signals commanding the electric motor, as their influence over both transient and high-frequency disturbances is widely demonstrated through the specialized literature. The use of synthesized and/or measured signals and systems allows characterizing of the auditory disturbance and the implementation of control schemes at the electric and/or mechanic domains. Calculation of relevant psychoacoustic metrics over the controlled disturbance will lead to validate the proposed theories and techniques in this paper.

Projeto Europeu FP7 - Linha People - Marie Curie Action. Envolvendo 18 instituições europeias, entre setor privado, ensino superior e centros de pesquisa e a USP, o projeto tem por objetivo principal o estudo de consumo e melhoria da eficiência energética em máquinas e veículos. Com coordenação central da KU Leuven (Belgica), o projeto tem, no âmbito da EESC-USP como Pesquisadores Principais os professores Reginaldo T. Coelho (SEP), Leopoldo P.R. de Oliveira (SEM e Maíra M. da Silva (SEM).

O presente projeto de doutorado tem por intuito o desenvolvimento de sistemas de controle ativo de ruído e qualidade sonora aplicados, em especial, aos veículos híbridos e elétricos. Este novo paradigma em trens de força para veículos comerciais e de passeio, impõe novos desafios para o projeto e análise de ruído e vibrações em veículos. Dentre as novas características impostas por estes sistemas estão as excitações provenientes de inversores de frequência e motores elétricos, novas para o ambiente interno do veículo, e as diferentes condições de excitação provenientes da ação, ora do motor de combustão interna, ora do motor elétrico. Uma possível solução para estes desafios está no uso de novas técnicas de controle ativo que transformem o campo acústico percebido pelos usuários finais de um produto ou sistema, resultando em modificação significativa das métricas de qualidade sonora relevantes a este conjunto de eventos auditivos. Espera-se assim que, em decorrência dos sistemas de controle a serem propostos no desenvolvimento deste projeto de doutorado, novos conceitos em controle ativo sejam obtidos a partir da alteração da amplitude e/ou da fase relativa entre diversas componentes do estímulo acústico. Trabalhos recentes demonstram que o controle destes parâmetros pode afetar de forma significativa diversos aspectos que descrevem a qualidade sonora de um distúrbio, como volume, aspereza, tonalidade, conforto acústico, entre outros. Para tanto, atividades como o projeto, simulação e implementação de sistemas de controle ativo acústico estrutural baseados na auralização de distúrbios harmônicos advindos de motores de combustão interna e elétricos/híbridos são propostas, visando a modificação de sua estrutura tempo-frequência, de forma a alcançar metas e objetivos de qualidade sonora.

Técnicas de controle ativo são soluções em potencial para a crescente demanda por redução no ruído de produtos e processos. A redução de ruído em cavidades, como é o caso de cabines de avião e o interior de veículos automotores, são exemplos típicos. Mais recentemente, o que se procura, além da simples redução, é afetar de forma positiva a apreciação do ruído pelos ocupantes, melhorando a qualidade sonora. O primeiro passo na direção de tal Controle Ativo de Qualidade Sonora, que confronta as técnicas de controle ativo com esse novo paradigma, é avaliar o desempenho de estratégias clássicas com métricas de psico-acústica. Posteriormente, com base nestes resultados, estratégias inovadoras de controle que alterem características específicas de qualidade sonora serão propostas. Este projeto de pesquisa envolve, também, o estudo de técnicas experimentais e de simulação que auxiliem o projeto de tais sistemas vibro-acústicos ativos, permitindo que modelos numéricos ou híbridos da planta sejam incluídos no projeto dos sistemas de controle. Assim é possível projetar sistemas de controle baseados em modelos e auralizar os sistemas passivos e ativos. Esta habilidade é crucial para o projeto e análise das técnicas de controle propostas, já que permite, entre outros, o ajuste dos parâmetros do controlador com base na apreciação do campo acústico virtual. Dentre os resultados esperados estão: proposição de técnicas experimentais e numéricas que auxiliem o projeto de sistemas de controle, um melhor entendimento da eficiência de sistemas de controle clássicos como apreciado por humanos e técnicas de controle inovadoras que visem a melhoria da qualidade sonora.

O presente projeto de pesquisa tem como objetivo geral o estudo de vibrações induzidas por escoamentos (VIEs) bifásicos externamente a banco de tubos. Como objetivos específicos busca-se: (i) identificação das características espectrais e espaciais do carregamento gerado por diferentes escoamentos bifásicos (bolha, pistonado, anular, névoa) externamente a um banco de tubos; (ii) estudo do comportamento vibracional dos dutos sob diversas condições de contorno e freqüências de ressonância para a determinação de requisitos para o projeto de estruturas sujeitas a este tipo de carregamento; (iii) estudo do efeito do carregamento não uniforme do escoamento bifásico sobre as vibrações translacionais e rotacionais do tubo; (iv) caracterização através de medições diretas na região entre tubos dos seguintes parâmetros do escoamento bifásico: fração de vazio superficial instantânea e média, padrão de escoamento e perda de pressão ao longo do banco de tubos; (v) comparação dos resultados para padrão de escoamento levantados a partir de visualizações e as características espectrais e espaciais dos sinais relacionados a estrutura do banco de tubos, visando a proposição de um método objetivo de caracterização de padrões de escoamento e que incorpore requisitos de projeto; (vi) soluções numéricas do escoamento bifásico no banco de tubos, as quais serão comparadas aos resultados experimentais e utilizadas na análise dos mecanismos fisícos envolvidos. Para a execução deste estudo experimental será desenvolvida e contruída uma bancada experimental na EESC-USP e desenvolvida uma metodologia experimental inédita para o levantamento da fração de vazio superficial na região entre tubos

O projeto de pesquisa visa aprofundar o estudo de sistemas de controle de ruído em aplicações próprias da indústria da mobilidade e, de forma inovadora, avaliar seu desempenho com base em métricas de psico-acústica relevantes para esta área como Loudness, Roughness, Tonality e Sharpness. Desta forma, pretende-se estabelecer uma metodologia de projeto de sistemas de controle com base em parâmetros de psico-acústica. Os desafios se encontram, primeiramente, na definição do conjunto de atributos temporais e espectrais dos estímulos sonoros, responsáveis pelas características sonoras indesejáveis, que serão identificados a partir da análise de estímulos sonoros reais ou sintetizados. Do ponto de vista de simulação, é fundamental a utilização de um modelo que forneça características psico-acústicas equivalentes às da aplicação em vista, numa plataforma que permita a inclusão dos sistemas de controle e das métricas selecionadas. Simulações no domínio do tempo são usuais na análise de sistemas de controle, o que motiva o uso deste tipo de plataforma para a finalidade proposta. Neste projeto, ferramentas computacionais serão usadas de forma extensiva para simulação e análise, integrando as áreas de projeto de sistemas de controle e psico-acústica. Finalmente, os conceitos avaliados de forma numérica devem ser validados experimentalmente, permitindo, não só a análise critica do desempenho psico-acústico dos controladores, como também da própria metodologia de projeto adotada, o que será realizado com auxílio de um mock-up de veículo sujeito a distúrbios de características psico-acústicas relevantes para o problema proposto.

Este INCT reúne equipes das seguintes universidades brasileiras: UFU, EESC/USP, FEIS/UNESP, ITA, UFRJ, UnB, UFCG e colaboradores de 8 universidades estrangeiras. Sua missão 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.

"A Computer Aided Engineering Approach to Smart Structures" é um programa de Treinamento em Pesquisa financiado pela Comunidade Econômica Européia no FP6 que envolve o financiamento de bolsistas e promoção de eventos na área de estruturas inteligentes.

Projeto Integrado de Pesquisa financiado pela Comunidade Econômica Européia no FP6, evolvendo 44 parceiros de 13 países em diversas áreas relacionadas com o controle ativo de ruído e vibração em meios de transporte, materias, hardware, estratégias de controle, aplicações, etc.