Topology optimization of periodic piezoelectric materials for energy harvesting devices: Otimização topológica de materiais piezoelétricos periódicos para coletores de energia

Autor(es)

Breno Vincenzo de Almeida

• Tipo de documento: Dissertação de Mestrado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Mecânica
• Data de defesa: 2019-12-03

Membros da banca

Renato Pavanello; José Roberto de França Arruda; Emilio Carlos Nelli Silva

• Orientador: Renato Pavanello

Resumo

Com a tendência de se aumentar a quantidade de transdutores utilizados em indústrias 4.0, de manufatura inteligente, é de interesse desenvolver dispositivos eletromecânicos capazes de coletar energia, de forma a diminuir ou evitar a utilização de pilhas e baterias, que além de gerarem custos adicionais, são prejudiciais ao meio ambiente. Coletores de energia piezoelétricos são dispositivos que podem ser utilizados para transformar energia mecânica dissipada em forma de vibração para energia elétrica útil. O projeto desses coletores envolve conhecimentos nas áreas de mecânica dos sólidos, vibrações, sistemas eletromecânicos e materiais piezoelétricos, ou seja, é relativamente complexo, e por isso são necessários modelos precisos e representativos para auxiliar em seu desenvolvimento. Neste trabalho, portanto, um coletor de energia piezoelétrico bimorpho com conexão em série entre os eletrodos em um circuito fechado foi modelado com estado plano de deformação e sua topologia foi otimizada com o intuito de maximizar o seu acoplamento eletromecânico. Além disso, com os avanços em manufatura aditiva, está se tornando possível produzir estruturas piezoelétricas complexas, possibilitando o desenvolvimento de metamateriais piezoelétricos. Desta forma um método de Otimização Estrutural Evolucionário Bi-direcional (BESO) modificado foi proposto, implementado e testado, acoplando um algoritmo de realocação dos eletrodos em fronteiras discretas com a estratégia clássica do método BESO de maximização da função objetivo. Este método foi aplicado para o caso dos coletores constituídos por metamateriais piezocompósitos periódicos, e para o caso dos coletores piezoelétricos bimorpho. Os resultados numéricos e ilustrações das topologias otimizadas, obtidas para diferentes valores do resistor acoplado ao sistema, são apresentados e analisado (AU)

• Processo FAPESP: 18/00075-4 - Otimização topológica de materiais piezoelétricos periódicos para coletores de energia
• Beneficiário: Breno Vincenzo de Almeida
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Mestrado