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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Optimal-robust design of smart structures to enhance the performances of fatigue life and vibration energy harvesting
Alternate title (s): Projeto ótimo-robusto de estruturas inteligentes para aumento de desempenho da vida em fadiga e coleta de energia de vibração
Author: Sena, João Pedro
First Advisor: Lima, Antônio Marcos Gonçalves de
First coorientator: Bouhaddi, Noureddine
First member of the Committee: Marques, Flavio Donizeti
Second member of the Committee: Neto, Roberto Mendes Finzi
Third member of the Committee: Gonçalves, Rogério Sales
Fourth member of the Committee: Koroishi, Edson Hideki
Summary: 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.
Keywords: Smart structures
Harvesting
Fatigue
Shunt circuit
Topology optimization
Estruturas inteligentes
Harvesting
Fadiga
Circuito shunt
Otimização topológica
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS::DINAMICA DOS CORPOS RIGIDOS, ELASTICOS E PLASTICOS
Subject: Engenharia mecânica
Otimização estrutural
Espaços topológicos
Energia - Consumo
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: 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.
Document identifier: https://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.540
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/43183
Date of defense: 19-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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