Trabalho de conclusão de curso (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2015.Mecanismos de absorção de vibração se fazem necessários para reduzir níveis de
vibração em diversas aplicações de engenharia como pontes, edifícios, aerogeradores, entre
outros. Na literatura existem diversos estudos acerca dos vários tipos de absorvedores.
Um dos dispositivos mais promissores para a absorção de energia são os absorvedores que
utilizam líquidos devido principalmente a sua simplicidade e baixo custo. Em especial,
os Absorvedores por Colunas de Líquido Sintonizado (ACLS) – do inglês Tuned Liquid
Column Damper (TLCD) – são uma classe de controle passivo que utilizam líquidos em
um reservatório em forma de “U” para controlar a vibração da estrutura primária. A
energia é dissipada pela passagem de liquido por um orifício dentro do reservatório que
possui perdas de cargas como características intrínsecas associadas a efeitos de turbulência
e de fricção.
A aplicação estudada no trabalho para esses tipos de dispositivos são as turbinas
eólicas. Devido a sua geometria delgada e o alto custo associado a construção e manutenção
dessas estruturas, dispositivos de absorção de vibração são aplicados para prolongar a vida
útil dos aerogeradores e proteção contra a excitação proveniente das forças dos ventos.
Esse trabalho apresenta uma revisão bibliográfica acerca do tema controle estrutural
de vibração e seus diversos tipos de dispositivos estudados pela literatura bem como
os avanços nas últimas décadas acerca do assunto. Conceitos teóricos básicos de vibrações
mecânicas são apresentados como vibração em sistemas com um grau de liberdade,
sistemas com dois graus de liberdade e absorvedores de vibração. Também são discutidos
tópicos de vibração aleatória dando ênfase às ferramentas estocásticas e probabilística
que fornecem conceitos essenciais como densidade espectral de potência e autocorrelação.
Em seguida, é apresentado o modelo matemático proposto e os métodos utilizados para
tratar a não-linearidade presente no sistema. Métodos de otimização desenvolvidos pela
literatura foram usados para se determinar parâmetros otimizados do sistema e por fim
uma análise comparativa é realizada considerando o sistema linearizado equivalente e o
sistema não-linear utilizando tanto forçamento harmônico quanto forçamento aleatório.
A objetivo da análise consiste em comparar o modelo não-linear com o seu equivalente
linear. Para isso, utilizam-se os conceitos de linearização estatística que procuram
minimizar o erro dessa aproximação. Em seguida são analisadas os métodos de solução
utilizando dois tipos de forçamentos, o forçamento harmônico e o forçamento aleatório.
iii
Para o forçamento harmônico, primeiramente são feitas comparação apenas com o ACLS
e depois o sistema integrado a estrutura variando parâmetros. Para a análise com forçamento
aleatório, comparam-se os sistema linear e não-linear utilizando os conceitos de
densidade espectral de potência.
Os resultados apresentados para o forçamento harmônico mostram que o modelo
linear apresenta boa acurácia embora a resposta apresente uma maior amplitude que para
amortecimento não-linear. Para a análise com forçamento aleatório, primeiro se descreve
o algoritmo utilizado e os dois métodos utilizados para a comparação. Nesse caso, o
resultados obtidos são apresentados tanto utilizando ruído branco quanto espectro do
tipo filtro de primeira ordem, este último apresenta resultados mais satisfatórios pois
é um modelo fisicamente mais realista do que o ruído branco. O comparativo foi feito
considerando os sistema não-linear e linearizado e obteve-se uma boa aproximação entre os dois.Vibration absorbing mechanisms are promising devices that help reducing vibration
levels in many engineering applications such as bridges, buildings, wind turbines,
among others. In the literature, there are several studies on a variety of absorbers. One
of the most promising devices for the absorption of energy are those using liquid, mainly
due to its simplicity and low cost. In particular, Tuned Liquid Column Damper (TLCD)
is a class of passive control, which utilize liquid in a “U” shape reservoir to control structural
vibration of the primary system. The energy is dissipated from the movement of the
liquid passing through an orifice in the reservoir, which has head-losses associated with
turbulent, and friction effects.
The application of TLCDs in wind turbines presented in this work gain significant
attention mainly due to its slender geometry, the high cost associated with building,
manufacture and the maintenance of these structures. Vibration absorbers devices are
applied to extend the life and safety of the wind turbines from the wind forces.
This work presents a literature overview on the subject structural control describing
the different types of devices studied by the literature as well as advances in recent
years on the subject. Basic theoretical concepts are shown, for instance, vibration of single
degree of freedom systems, vibration of two degree of freedom systems and vibration
absorbers. In addition, topics of random vibration are discussed with an emphasis on
stochastic and probabilistic tools providing the essential concepts such as power spectral
density and autocorrelation. Then, the mathematical model and the methods used to
overcome the nonlinearity present in the system are shown. Optimization methods developed
by the literature are used to determine optimum parameters of the system and
finally a comparative analysis is made considering the linearized system and the equivalent
nonlinear system using both harmonic and random excitation.
The objective of the analysis is to compare the nonlinear model with the linear
equivalent. In order to accomplish this, the concepts of statistical linearization seeking to
minimize the error between the nonlinear and equivalent linear system are used. Next, a
variety of methods of solution are analyzed using two types of excitation, the harmonic
and the random excitation. For harmonic excitation, comparisons are first made only with
the TLCD and then the integrated system varying structural parameters. For the analysis
of the random excitation, the linear and nonlinear system using the concepts of power
v
spectral density are compared .
The results for the harmonic excitation show that the linear model has good accuracy
although the response amplitude has been shown to be slightly higher than for the
nonlinear system. For the random excitation analysis, first, the algorithm used and the
two methods used for the comparison are described. In this case, the results are presented
using both white noise and filters of the first order spectrum, the latter presents more
satisfactory results since the excitation spectrum is physically more realistic than white
noise spectrum model. The comparison are made with regards the nonlinear system and
the linearized system where it has been shown satisfactory approximation between the
two methods
