Publicação: Enhancing flutter energy harvesting by combining viscoelastic damping and nonlinearities: a robust-optimal design
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROJETOS DE MAQUINAS::APROVEITAMENTO DE ENERGIA, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROJETOS DE MAQUINAS::CONTROLE DE SISTEMAS MECANICOS
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Bouhaddi, Noureddine
Resumo
Energy harvesting stands as a very active and promising research field. Many phenomena may
be used to harvest energy, particularly for small-scale applications such as sensors, actuators,
and control systems, which are becoming increasingly widespread in engineering practice.
Among the many options, flow-induced vibration is notable for its high availability. Always avoided
in the design of structures and aircraft, flutter represents an encouraging source of power. It
is a self-excited aeroelastic instability associated with high-amplitude oscillations. In addition,
flutter energy harvesting is a versatile and structurally simple approach. However, flutter occurs
at a given airspeed, above which the system will display oscillations with an ever-growing
amplitude. Thus, the incorporation of nonlinearities has been proposed in the literature to yield
a controlled and persistent power supply in the form of limit-cycle oscillations and to reduce
the airspeed needed for harvesting to take place. At the same time, viscoelastic damping was
suggested to suppress flutter. The present thesis attempts to evaluate the use of hardening
and free-play nonlinearities together with viscoelastic damping to enhance and control flutter
energy harvesting of a two-degree-of-freedom airfoil with piezoelectric transduction. Robust
optimization of the system is proposed considering the influence of varying parametric variations
on harvesting performance, especially motivated by the strong temperature dependence
introduced by viscoelastic dampers. The proposed combination of structural nonlinearities with
viscoelastic dampers proves capable of considerably increasing the power output and broadening
the operating velocity range, either by reducing the minimum velocity required for harvesting
or by controlling the limit cycle amplitude in the post-flutter regime. Furthermore, the robust
optimization methodology employed enables the design of an energy harvesting system that
is robust to temperature variations while still achieving optimal performance. In this regard, it
was found that the average power is more sensitive to temperature variations than the operating
velocity range. It is therefore concluded that the combination of structural nonlinearities with
viscoelastic dampers is beneficial for flutter-based energy harvesting, enabling systems with
robust-optimal performance.
Abstract
Harvesting de energia configura-se como um campo de pesquisa muito ativo e promissor.
Diversos fenômenos podem ser utilizados para realizar harvesting, especialmente em aplicações
em pequena escala, como sensores, atuadores e sistemas de controle, que vêm se tornando
cada vez mais comuns na prática da engenharia. Entre as opções disponíveis, as vibrações
induzidas pelo escoamento do ar destacam-se por sua elevada disponibilidade. O flutter, sempre
evitado no projeto de estruturas e aeronaves, representa uma fonte de energia promissora. Tratase
de uma instabilidade aeroelástica autoexcitada associada a oscilações de grande amplitude.
Além disso, o flutter aplicado a harvesting constitui uma abordagem versátil e estruturalmente
simples. No entanto, o flutter ocorre em uma determinada velocidade de escoamento, acima
da qual o sistema apresentará oscilações com amplitude continuamente crescente. Assim, a
incorporação de não linearidades tem sido proposta na literatura com o objetivo de se obter um
suprimento de energia controlado e persistente, na forma de oscilações de ciclo limite. As não
linearidades podem ainda reduzir a velocidade do escoamento necessária para que o harvesting
ocorra. Ao mesmo tempo, o amortecimento viscoelástico foi sugerido como meio de suprimir o
flutter. Diante do apresentado, a presente tese busca avaliar o uso de não linearidades do tipo
hardening e free-play, em conjunto com amortecimento viscoelástico, para aprimorar e controlar
o harvesting de energia a partir do flutter de um aerofólio com dois graus de liberdade e
transdução piezoelétrica. Propõe-se a otimização robusta do sistema, considerando a influência
de variações paramétricas no desempenho de harvesting, especialmente motivada pela forte
dependência da temperatura introduzida pelos amortecedores viscoelásticos. A combinação
proposta de não linearidades estruturais com amortecedores viscoelásticos demonstra ser
capaz de aumentar consideravelmente a potência e ampliar a faixa de velocidades de operação,
seja pela redução da velocidade mínima necessária para o harvesting, seja pelo controle
da amplitude do ciclo limite no pós-flutter. Além disso, a metodologia de otimização robusta
empregada permite projetar um sistema de harvesting de energia que apresente robustez
frente a variações de temperatura, ao mesmo tempo em que alcance o melhor desempenho
possível. Nesse sentido, constatou-se que a potência média é mais sensível às variações de
temperatura do que o intervalo de velocidade de operação. Conclui-se que a combinação de
não linearidades estruturais com amortecedores viscoelásticos é benéfica para o harvesting a
partir do flutter, sendo possível a obtenção de sistemas com desempenho ótimo-robusto.
Palavras-chave
Energy harvesting, Harvesting de energia, Flutter, Nonlinear aeroelasticity, Aeroelasticidade não linear, Viscoelastic damping, Amortecimento viscoelástico, Robust optimization, Otimização robusta
Citação
DELGADO FILHO, Marcelo Araújo. Enhancing flutter energy harvesting by combining viscoelastic damping
and nonlinearities: a robust-optimal design. 2025. 92 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica), Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.611.
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