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Projeto de transdutores e MEMS piezelétricos baseados no conceito de materiais com gradação funcional e otimização topológica

Processo: 05/01762-5
Linha de fomento:Bolsas no Brasil - Doutorado
Vigência (Início): 01 de julho de 2006
Vigência (Término): 31 de janeiro de 2010
Área do conhecimento:Engenharias - Engenharia Mecânica - Projetos de Máquinas
Pesquisador responsável:Emílio Carlos Nelli Silva
Beneficiário:Wilfredo Montealegre Rubio
Instituição-sede: Escola Politécnica (EP). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
Assunto(s):Método dos elementos finitos   Otimização topológica   Algoritmos

Resumo

Materiais piezelétricos geram deslocamentos ao serem excitados com potencial elétrico, bem como potencial elétrico ao serem submetidos a uma força ou pressão. São largamente utilizados em aplicações relacionadas principalmente com a área de Mecânica de Precisão e Mecatrônica. Os Materiais com Gradação Funcional (MGF) são materiais avançados compostos, os quais são projetados de tal forma que sua composição varie gradualmente numa direção espacial. Estes materiais combinam as vantagens de certas características de cada fase constitutiva, como por exemplo, alta resistência da temperatura dos cerâmicos com alta resistência mecânica dos metais. A aplicação do conceito MGF ao projeto de transdutores piezelétricos permite projetar atuadores compostos sem interface entre materiais (ex: PZT e polímeros), variando de forma contínua a distribuição de propriedades; desta forma pode-se obter grandes melhorias nas suas características de desempenho, em especial, suavizando a distribuição de tensões mecânicas e aumentando sua vida por fadiga. Além disso, trabalhos recentes sobre MGF piezelétricos indicam uma carência de métodos computacionais para a modelagem desses transdutores, bem como, de seu desempenho com relação à função de gradação das propriedades. Isso sugere a aplicação de técnicas de otimização no projeto desses dispositivos. Baseado nessas idéias este projeto propõe o desenvolvimento de algoritmos de MEF e otimização topológica (OT) para projetar novos transdutores (sensores e atuadores) piezelétricos MGF com melhor desempenho, de forma a explorar a potencialidade dos MGF no projeto de transdutores e MEMS piezelétricos. Dois enfoques de projeto serão considerados: a) projeto de transdutores piezelétricos MGF com relação a suas características dinâmicas (freqüência de ressonância ou nível de acoplamento de modos de vibrar específicos), otimizando a gradação contínua das propriedades piezelétricas e, b) projeto de atuadores piezelétricos MGF, maximizando um deslocamento de saída desejado, através do projeto de estruturas flexíveis MGF atuadas por cerâmicas piezelétricas. O trabalho proposto será conduzido em parceria com o Professor Gláucio H. Paulino, do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da “University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC)” nos EUA.

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Publicações científicas (4)
(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)
MONTEALEGRE RUBIO, WILFREDO; PAULINO, GLAUCIO H.; NELLI SILVA, EMILIO CARLOS. Analysis, manufacture and characterization of Ni/Cu functionally graded structures. MATERIALS & DESIGN, v. 41, p. 255-265, OCT 2012. Citações Web of Science: 11.
MONTEALEGRE RUBIO, WILFREDO; PAULINO, GLAUCIO H.; NELLI SILVA, EMILIO CARLOS. Tailoring vibration mode shapes using topology optimization and functionally graded material concepts. Smart Materials and Structures, v. 20, n. 2, p. 025009, 2011. Citações Web of Science: 20.
RUBIO, WILFREDO M.; SILVA, EMILIO C. N.; PAULINO, GLAUCIO H. Toward Optimal Design of Piezoelectric Transducers Based on Multifunctional and Smoothly Graded Hybrid Material Systems. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, v. 20, n. 14, p. 1725-1746, SEP 2009. Citações Web of Science: 11.
RUBIO, WILFREDO MONTEALEGRE; BUIOCHI, FLAVIO; ADAMOWSKI, JULIO CEZAR; NELLI SILVA, EMILIO CARLOS. Modeling of functionally graded piezoelectric ultrasonic transducers. ULTRASONICS, v. 49, n. 4-5, p. 484-494, MAY 2009. Citações Web of Science: 12.

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