Publicação: Optimal-robust design of smart structures to enhance the performances of fatigue life and vibration energy harvesting
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS::DINAMICA DOS CORPOS RIGIDOS, ELASTICOS E PLASTICOS
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Bouhaddi, Noureddine
Resumo
A análise de fadiga em estruturas submetidas a carregamentos aleatórios é mais eficiente no domínio da frequência devido ao menor custo computacional, levando em conta o ganho pela utilização de métodos como a base modal de Ritz e a metamodelagem com redes neurais. Dentre os métodos de controle de vibração, materiais inteligentes, especialmente os piezoelétricos, têm se destacado pela possibilidade de coleta de energia, graças à sua capacidade de funcionar como sensores e atuadores, além de serem leves e de fácil manuseio. A associação de circuitos shunt ao material PZT é realizada pela sintonização dos elementos do circuito, que requer um processo de otimização para obtenção dos parâmetros ótimos. Este trabalho propõe uma metodologia ótima-robusta para o projeto de sistemas dinâmicos que utilizam controle passivo visando reduzir a fadiga estrutural e aumentar a energia colhida. Foram analisados quatro casos principais: otimização do circuito com camada completa; otimização do circuito com tratamento parcial; otimização topológica por localização de patches; e otimização topológica por densidade de camada PZT. As técnicas de otimização empregadas, considerando incertezas nos parâmetros dos circuitos, mostraram-se eficazes na obtenção de melhores resultados em comparação aos métodos tradicionais.
Abstract
Fatigue analysis in structures subjected to random loads is more efficient in the frequency domain due to lower computational cost, considering the gains from using methods such as the Ritz modal basis and neural network metamodeling. Among vibration control methods, smart materials, especially piezoelectrics, have stood out due to their energy harvesting capabilities, functioning as both sensors and actuators, and being lightweight and easy to handle. The association of shunt circuits with PZT material is achieved by tuning the circuit elements, which requires an optimization process to obtain the optimal parameters. This work proposes a robust-optimal methodology for designing dynamic systems using passive control to reduce structural fatigue and increase harvested energy. Four main cases were analyzed: full-layer circuit optimization; partial treatment circuit optimization; topological optimization by patch location; and topological optimization by PZT layer density. The optimization techniques employed, considering uncertainties in circuit parameters, proved effective in achieving better results compared to traditional methods.
Palavras-chave
Smart structures, Harvesting, Fatigue, Shunt circuit, Topology optimization, Estruturas inteligentes, Harvesting, Fadiga, Circuito shunt, Otimização topológica
Citação
SENA, João Pedro. Optimal-robust design of smart structures to enhance the performances of fatigue life and vibration energy harvesting. 2024. 124 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.540.
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