Enhancing flutter energy harvesting by combining viscoelastic damping and nonlinearities: a robust-optimal design

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.