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Projeto de dispositivos coletores de energia piezelétricos utilizando o método de otimização topológica

Processo: 12/14576-9
Linha de fomento:Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Vigência (Início): 01 de fevereiro de 2013
Vigência (Término): 30 de novembro de 2016
Área do conhecimento:Engenharias - Engenharia Mecânica - Projetos de Máquinas
Pesquisador responsável:Emílio Carlos Nelli Silva
Beneficiário:Cesar Yukishigue Kiyono
Instituição-sede: Escola Politécnica (EP). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
Bolsa(s) vinculada(s):15/06334-3 - Um novo elemento de casca piezelétrico de alta ordem para projetar coletores de energia utilizando otimização topológica, BE.EP.PD
Assunto(s):Mecatrônica   Otimização topológica   Método dos elementos finitos

Resumo

Os coletores de energia são estruturas sujeitas a carregamentos dinâmicos (força ou vibração) que convertem a energia mecânica em elétrica. Dos materiais que são capazes de converter energia mecânica em elétrica, os materiais piezelétricos são um dos mais promissores nessa área. O projeto desses dispositivos é complexo e pode ser obtido através do método de otimização topológica (MOT), que combina algoritmos de otimização e de elementos finitos para projetar estruturas com topologias complexas. Nesse projeto, deseja-se maximizar a energia gerada pela deformação do material piezelétrico acoplado à estrutura mecânica, por movimentos ou forças dinâmicas aplicadas. A pesquisa dos coletores de energia em operação dinâmica compreende o projeto otimizado, simulação, fabricação (em meso escala), e caracterização experimental desses dispositivos. A obtenção precisa das propriedades dos materiais piezelétricos é essencial para o projeto dos coletores de energia, e também para uma vasta área de aplicação nos quais esses materiais são utilizados, como, por exemplo, em sensores e atuadores. Assim, a pesquisa também envolve a caracterização das variáveis reais e complexas para as propriedades elásticas, piezelétricas e dielétricas dos materiais piezelétricos, utilizando um algoritmo de otimização num processo iterativo, onde procura-se minimizar a diferença entre a impedância elétrica experimental e a numérica. Dessa forma, pretende-se realizar o ciclo completo de projeto otimizado dos coletores de energia piezelétrico, incluindo a caracterização experimental para validar a metodologia, conjuntamente com o desenvolvimento da metodologia para caracterizar as propriedades piezelétricas.

Publicações científicas (6)
(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)
KIYONO, C. Y.; SILVA, E. C. N.; REDDY, J. N. A novel fiber optimization method based on normal distribution function with continuously varying fiber path. COMPOSITE STRUCTURES, v. 160, p. 503-515, JAN 15 2017. Citações Web of Science: 21.
KIYONO, C. Y.; VATANABE, S. L.; SILVA, E. C. N.; REDDY, J. N. A new multi-p-norm formulation approach for stress-based topology optimization design. COMPOSITE STRUCTURES, v. 156, p. 10-19, NOV 15 2016. Citações Web of Science: 13.
KIYONO, C. Y.; SILVA, E. C. N.; REDDY, J. N. Optimal design of laminated piezocomposite energy harvesting devices considering stress constraints. INTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL METHODS IN ENGINEERING, v. 105, n. 12, p. 883-914, MAR 23 2016. Citações Web of Science: 9.
KIYONO, C. Y.; PEREZ, N.; SILVA, E. C. N. Determination of full piezoelectric complex parameters using gradient-based optimization algorithm. Smart Materials and Structures, v. 25, n. 2 FEB 2016. Citações Web of Science: 8.
CASTRO, D. A.; KIYONO, C. Y.; SILVA, E. C. N. Design of radiative enclosures by using topology optimization. INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER, v. 88, p. 880-890, SEP 2015. Citações Web of Science: 5.
MOTTA MELLO, LUIS AUGUSTO; KIYONO, CESAR YUKISHIGUE; NAKASONE, PAULO HENRIQUE; NELLI SILVA, EMILIO CARLOS. Design of quasi-static piezoelectric plate based transducers by using topology optimization. Smart Materials and Structures, v. 23, n. 2 FEB 2014. Citações Web of Science: 4.

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