Projeto robusto de dispositivos piezelétricos para coleta de energia com parâmetros incertos usando otimização multiobjetivo

Autor: Paulo Henrique Martins
Přispěvatelé: Marcelo Areias Trindade, Paulo Sergio Varoto, André Teófilo Beck, Americo Barbosa da Cunha Junior, Vitor Ramos Franco, Maíra Martins da Silva
Rok vydání: 2023
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
DOI: 10.11606/t.18.2022.tde-17012023-084840
Popis: Em face do aumento da demanda energética dos últimos anos, a energia de diferentes fontes tem sido obtida e estudada, tal como aquela proveniente de fontes eólicas, térmicas, atômicas, químicas e mecânicas. Nesse contexto, o termo energy harvesting (colheita de energia) é empregado para se referir a energia captada de diversas fontes e convertida em eletricidade. Em virtude disso, materiais piezelétricos são utilizados com a finalidade de converter a energia de deformação devido à vibração de sistemas mecânicos em eletricidade. Para mensurar o potencial de energia coletável, uma resistência elétrica é geralmente conectada a pastilha piezelétrica. Entretanto, nesse processo, a energia disponível para conversão geralmente é baixa, o que torna necessário o estudo de metodologias de projeto que permitam maximizar a energia coletável. Esse fato deve receber maior atenção quando incertezas são consideradas no projeto, visto que a variabilidade na resposta aumenta. Desse modo, é importante escolher métodos de otimizações para projetar dispositivos que forneçam a máxima energia possível, porém que também considerem a possibilidade de minimizar o efeito das incertezas na resposta. Neste trabalho, o propósito é projetar dispositivos tipo viga cantiléver usando pastilhas piezelétricas para converter a energia mecânica proveniente de vibração em eletricidade, sabendo da existência de incertezas em alguns parâmetros incluindo o engaste. Utilizando métodos de otimização multiobjetivo, maximiza-se a potência média gerada e minimiza-se a dispersão da resposta simultaneamente. Para isso, é fundamental escolher técnicas que estimem a média e a variância da FRF de potência, com satisfatório custo computacional e precisão das respostas. Como busca-se maximização de potência, as frequências de excitação e pico de vibração dos dispositivos acabam se igualando, por isso é importante manter a sintonização. Algumas variáveis incertas de destaque abordadas são as molas que simulam o engaste do dispositivo, a camada adesiva do material piezelétrico e o fator de amortecimento, frente a diversas variáveis de projeto. Resultados mostram que dispositivos com menor comprimento de viga tendem a produzir uma maior potência média, porém com maior variabilidade na resposta frente a dispositivos de maiores comprimentos. Além disso, resistências elétricas de menores valores tendem a aumentar a robustez dos dispositivos, embora haja um decréscimo da energia, produzida pela vibração. In the face of the increase in energy demand recently, energy from different sources has been obtained and studied, such as that of wind, thermal, atomic, chemical, and mechanical sources. In this context, the term energy harvesting is employed to refer to the energy captured from different sources and converted into electricity. As a consequence, piezoelectric materials are used in order to convert the deformation energy due to the vibration of mechanical systems into electricity. To measure the potential of energy harvested, an electrical resistance is usually connected to a piezoelectric patch. However, in this process, the evaluated energy for conversion is generally low, which makes it necessary to study design methodologies that allow maximizing the energy harvested. This fact should receive more attention when uncertainties are considered in the design since the variability in the response increases. Thus, it is important to choose optimization methods to design devices that provide the maximum possible energy, but also consider the possibility of minimizing the uncertainties in the response. In this work, the purpose is to design cantilever beam devices using piezoelectric patch to convert mechanical energy from vibration into electricity, knowing the existence of uncertainties in some parameters including the clamping.Using multiobjective optimization methods, the mean power is maximized and the response dispersion is minimized simultaneously. For this, it is essential to choose techniques that estimate the mean and variance of the FRF of power output with satisfactory computational cost and precision of the response. As power maximization is intended, the excitation and peak vibration frequencies of the devices end up being equal, thus it is important to preserve the tuning. Some notable uncertain variables addressed are the springs that simulate the clamping device, the adhesively bonded of the piezoelectric material and the damping factor, considering the diverse design variables. Results show that devices with shorter beam lengths tend to produce a higher mean power, but with greater variability in the response, compared to devices of longer lengths. In addition, electrical resistances of lower values tend to increase the robustness of the devices, although there is a decrease in the energy generated by vibration.
Databáze: OpenAIRE
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