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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/42227
ORCID: | http://orcid.org/0000-0003-1773-7933 |
Document type: | Tese |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | Metodologia de projeto ótimo-robusto de sistemas aeroeletromecânicos com harvesters piezocerâmicos e circuitos multimodais para amortecimento passivo e supressão de flutter |
Alternate title (s): | A robust-optimal design methodology for aeroelectromechanical systems with multimode hybrid shunted piezoceramics harvester for passive damping and subsonic flutter suppression |
Author: | Diniz, Gutembergy Ferreira |
First Advisor: | Lima, Antônio Marcos Gonçalves de |
First coorientator: | Bouhaddi, Noureddine |
First member of the Committee: | Silva, Roberto Gil Annes da |
Second member of the Committee: | Trindade, Marcelo Areias |
Third member of the Committee: | Souza, Francisco José de |
Fourth member of the Committee: | Lobato, Fran Sergio |
Summary: | O advento de estruturas cada vez mais leves e flexíveis, bem como a possibilidade do aumento de velocidade de operação na indústria aeronáutica, trouxe consigo a necessidade de controle mais rigoroso de vibrações e/ou fenômenos de instabilidade que podem gerar falhas catastróficas. Nesse sentido, torna-se necessário a utilização de estratégias eficientes de controle desses fenômenos, tendo em vista as demandas cada vez mais rigorosas de segurança e confiabilidade principalmente na indústria aeronáutica. Portanto, estudos voltados ao desenvolvimento de técnicas de controle aplicadas a estruturas compósitas que hospedam materiais inteligentes se mostram cada vez mais aplicadas no âmbito da dinâmica das estruturas aeronáuticas. A aplicação de materiais inteligentes ao controle de vibrações despertou a possibilidade de, conjuntamente, aproveitando características de materiais que acoplam o domínio elétrico, realizar a recuperação de energia de sistemas sujeitos a vibrações indesejáveis. O fenômeno de flutter é o mais complexo de se prever com precisão e menos investigado em estruturas compósitas sujeitas a fluxos de regime subsônico. No que tange a aplicação de técnicas para o controle de flutter, a literatura aberta possui maior densidade de trabalhos voltados às técnicas ativas. A utilização de circuitos multimodais como estratégia passiva de controle de flutter subsônico é uma lacuna de estudo, principalmente no que se refere às estruturas compósitas. Atrelado a isso, a possibilidade simultânea de recuperação de energia de sistemas aeroelásticos compósitos do ponto de vista ótimo não é explorado. Com base nisso, esta tese apresenta uma técnica de controle passivo para instabilidade de flutter subsônico, estruturada no emprego de circuito multimodal com aplicação em estruturas compósitas. A modelagem em elementos finitos combinou a teoria de primeira ordem via camada equivalente, junto ao Doublet Lattice para a modelagem do carregamento aerodinâmico e a teoria da camada discreta para modelagem do potencial elétrico. A configuração com aplicação parcial do piezocerâmico apresentou ganho total de aproximadamente 14, 7% em fronteira de flutter quando se emprega uma técnica de otimização multiobjetivo dos parâmetros do circuito via algoritmo genético. A otimização multiobjetivo robusta proposta neste trabalho foi aplicada através do uso de rede neural artificial. Observou-se maior vulnerabilidade para com o objetivo de potência harvesting, dado mesmo nível de perturbação das variáveis de projeto. A robustez do sistema para com a velocidade de flutter foi comprovada através dos envelopes de diagramas de velocidade e amortecimento, demonstrando a potencialidade da metodologia proposta para aplicações práticas de interesse industrial. |
Abstract: | The advent of increasingly lighter and more flexible structures and the possibility of higher operational speeds in the aerospace industry have required more stringent control of vibrations and instability phenomena that can lead to catastrophic failures. Consequently, efficient strategies to control these phenomena are essential given the ever-stricter safety and reliability demands, particularly in the aerospace industry. Therefore, studies focused on developing control techniques for composite structures incorporating smart materials are becoming increasingly prevalent in aerospace structural dynamics. The application of smart materials for vibration control has also opened the possibility of energy harvesting from systems subject to unwanted vibrations, given their coupling properties with the electrical domain. The flutter instability is the most complex to predict accurately and the least investigated in composite structures subjected to subsonic flow regimes. Regarding the application of techniques for flutter control, the open literature has a higher density of work focused on active techniques. Using multimodal circuits as a passive strategy for subsonic flutter control is an understudied area, especially concerning composite structures. Additionally, the simultaneous possibility of optimally harvesting energy from composite aeroelastic systems remains unexplored. Based on this, this thesis presents a passive control technique for subsonic flutter instability using a multimodal circuit applied to composite structures. The finite element modeling integrates first-order theory via equivalent layer, the Doublet Lattice Method for aerodynamic loading, and the discrete layer theory for modeling the electric potential. The configuration with partial application of piezoceramic showed a total gain of approximately 14,7% in the flutter boundary when using a multi-objective optimization technique of the circuit parameters via genetic algorithm. The robust multi-objective optimization proposed in this work was applied using an artificial neural network. Greater vulnerability was observed with regard to the harvesting power objective, given the same level of disturbance of the design variables. The system’s robustness to flutter speed was demonstrated through velocity and damping diagram envelopes, showcasing the potential of the methodology proposed here for practical industrial applications. |
Keywords: | Estruturas inteligentes Smart structures Flutter Flutter Circuitos shunts multimodais Multimodal shunt circuits Otimização multiobjetivo robusta Robust multi-objective optimization Harvesting Energy harvesting. |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS::DINAMICA DOS CORPOS RIGIDOS, ELASTICOS E PLASTICOS |
Subject: | Engenharia mecânica Indústria aeronáutica Dinâmica estrutural vibração |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica |
Quote: | DINIZ, Gutembergy Ferreira. Metodologia de projeto ótimo-robusto de sistemas aeroeletromecânicos com harvesters piezocerâmicos e circuitos multimodais para amortecimento passivo e supressão de flutter. 2024. 99 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.541 |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.541 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/42227 |
Date of defense: | 31-Jul-2024 |
Sustainable Development Goals SDGs: | ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação. |
Appears in Collections: | TESE - Engenharia Mecânica |
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