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Um novo elemento de casca piezelétrico de alta ordem para projetar coletores de energia utilizando otimização topológica

Processo: 15/06334-3
Linha de fomento:Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Pós-Doutorado
Vigência (Início): 22 de julho de 2015
Vigência (Término): 21 de julho de 2016
Área do conhecimento:Engenharias - Engenharia Mecânica
Pesquisador responsável:Emílio Carlos Nelli Silva
Beneficiário:Cesar Yukishigue Kiyono
Supervisor no Exterior: J.N. Reddy
Instituição-sede: Escola Politécnica (EP). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
Local de pesquisa : Texas A&M University, Estados Unidos  
Vinculado à bolsa:12/14576-9 - Projeto de dispositivos coletores de energia piezelétricos utilizando o método de otimização topológica, BP.PD

Resumo

Coletores de energia piezelétricos tem recebido grande importância na última década, dada sua característica intrínseca de converter vibrações mecânicas em energia elétrica utilizável. Em geral, o projeto de coletores visa maximizar a potência elétrica gerada no material piezelétrico dada uma vibração harmônica. O projeto estrutural desses dispositivos é muito complexo, sendo que métodos como tentativa e erro são ineficazes. Entretanto, eles podem ser eficientemente projetados utilizando-se métodos de otimização topológica, que é uma ferramenta de projeto estrutural para encontrar o leiaute ótimo de material para satisfazer os requisitos de projeto. Nesse sentido, o material piezelétrico é distribuído sistematicamente sobre um substrato metálico de modo a maximizar a potência elétrica. Todavia, o método de otimização topológica combina algoritmos de otimização com ferramentas de análise numérica, como o método de elementos finitos (MEF). Entretanto, a maioria dos estudos de coletores de energia tem utilizado elementos de casca de baixa ordem. Esses elementos assumem muitas simplificações, como estado plano de tensões ou pequenas deformações, ou abordagens artificiais ou técnicas de condicionamento numéricos, como integração reduzida ou estabilização de elemento, de mofo que o elemento se comporte corretamente. Mesmo assim, esses tipos de elementos podem ser imprecisos e sofrer algum tipo de travamento. Assim, este trabalho propõe uma formulação de um novo elemento de casca de alta ordem piezelétrico que utiliza interpolação Lagrangeana, o qual fornece respostas mecânicas e elétricas mais precisas sem utilizar técnicas artificiais e não apresentam instabilidades numéricas. Finalmente, este elemento será utilizado num procedimento de otimização topológica para projetar coletores de energia ressonantes. Além de aplicações de coletores de energia, este elemento é adequado para qualquer aplicação envolvendo materiais piezelétricos em análise linear ou não linear. (AU)

Publicações científicas
(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: 19.
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.; 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.

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