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

• Processo: 15/06334-3
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Pós-Doutorado
• Data de Início da vigência: 22 de julho de 2015
• Data de Término da vigência: 21 de julho de 2016
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica
• Pesquisador responsável: Emílio Carlos Nelli Silva
• Beneficiário: Cesar Yukishigue Kiyono
• Supervisor: J.N. Reddy
• Instituição Sede: Escola Politécnica (EP). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Instituição Anfitriã: 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
• Assunto(s): Método dos elementos finitos Otimização topológica Vibrações mecânicas
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: coletores de energia | elemento de alta ordem | Método de Elementos Finitos | otimização topológica | Otimização Topológica

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

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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. (15/06334-3, 12/14576-9)

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. (15/06334-3, 12/14576-9)

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, p. 18-pg., 2016-02-01. (15/06334-3, 12/14576-9)

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. (15/06334-3, 12/14576-9)