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Projeto e Otimização de Coletores Piezelétricos de Energia Usando Métodos Evolucionários

Processo: 22/09350-3
Modalidade de apoio:Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
Vigência (Início): 01 de outubro de 2022
Situação:Interrompido
Área do conhecimento:Engenharias - Engenharia Mecânica - Mecânica dos Sólidos
Pesquisador responsável:Paulo Sergio Varoto
Beneficiário:Catarina Luz Moura Ibiapina Barros
Instituição Sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
Bolsa(s) vinculada(s):23/15931-1 - Calibração Bayesiana e Modelos Informados por Física para Aprimoramento na Geração de Energia Piezelétrica em estruturas Fan-Foldeds., BE.EP.IC
Assunto(s):Algoritmos genéticos
Palavra(s)-Chave do Pesquisador:Artificial Neural Networks | Genetic Algorithms | piezoelectric energy harvesting | Structural Vibrations | Dinâmica Estrutural, Sistemas Multi-Físicos

Resumo

O presente projeto de pesquisa tem como objetivo principal a aplicação de métodos evolucionários no projeto e otimização de coletores piezelétericos de energia possuindo múltiplos graus de Liberdade. A pesquisa se insere na área de estruturas inteligentes que utilizam os denominados materiais piezelétricos que podem ser usados tanto para atuação em técnicas de controle estrutural quanto em sensoriamento para monitoração de sinais dinâmicos. O escopo do projeto se insere no tema Vibration Piezoelectric Energy Harvesting, que busca projetar dispositivos eletromecânicos, empregando para tanto materiais piezelétricos, que sejam capazes de converter sinais de vibração estrutural de um dado ambiente dinâmico em tensão eléctrica útil, especialmente naqueles casos onde os componentes espectrais principais dos sinais vibratórios se localizam na faixa de frequências correspondente a 0100 Hz que comumente engloba a maioria dos fenômenos vibratórios denominados ambientais. O modelo dinâmico da viga engastada-livre, comumente denominada de viga cantilever parcialmente recoberta com uma fina camada de cerâmica piezelétrica é um dos modelos mais comumente usados no projeto de geradores piezelétricos de energia. Embora muito útil, este modelo possui limitações quanto a faixa de frequências de operação em aplicações que impõem restrições quanto ao volume máximo ocupado pelo gerador. Nestes casos, o dispositivo geralmente possui uma massa equivalente reduzida e um elevado valor de rigidez, resultando portanto em um valor para a frequência natural correspondente ao modo fundamental de vibração bem acima do valor máximo da faixa útil de utilização do dispositivo. Melhorias do desempenho de um dado coletor piezelétrico de energia são possíveis através de métodos de otimização, através dos quais busca-se determinar-se um conjunto de parâmetros geométricos e elétricos que possibilitem a maximização dos níveis de energia elétrica geradas durante o processo eletromecânico de conversão de energia. Outra alternativa, que se alinha com a necessidade de obtenção de frequências naturais em uma determinada faixa onde ocorrem as principais componentes espectrais do disturbio externo consiste em combinar-se vários elementos estruturais do mesmo tipo formando uma estrutura de complexidade maior do que a viga cantilever. Dependendo da maneira como estes elementos estruturais são combinados, é possível obter-se dispositivos coletores de energia que apresentem mais de uma de suas frequências naturais em uma determinada faixa de frequências de interesse. Neste contexto, o presente projeto de pesquisa tem como objetivo principal a aplicação de algorítmos evolucionários no projeto e otimização de coletores piezelétricos de energia. Em particular busca-se aplicar algorítimos genéticos e redes neurais artificiais na formulação de modelos evolucionários que possibilitem formas alternativas de otimizar um dado dispositivo coletor usando-se seus parâmetros de projeto. Inicialmente será formulado um modelo em parâmetros distribuídos do coletor de energia a ser usado usando a teoria de vigas. Pretende-se iniciar esta etapa da modelagem com o modelo cantilever de uma única viga com massa na extre- midade livre. Este modelo será usado em simulações numéricas e, a partir da construção de um protótipo físico, resultados experimentais serão obtidos para verificação do modelo formulado. Uma vez verificado o modelo será então formulada uma metodologia para otimização de seus parâmetros usando-se para tanto uma combinação de algorítimos genéticos e redes neurais artificiais. A partir desta metologia buscar-se-á obter-se os parâmetros para maximização da energia gerada. O projeto prevê também o estudo de configurações geométricas de maior complexidade a partir da combinação de elementos estruturais do tipo viga na forma de estruturas fanfolded.

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