Projeto robusto de dispositivos piezelétricos para coleta de energia com parâmetros incertos usando otimização multiobjetivo

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Martins, Paulo Henrique
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: análise de vibrações; coleta de energia; energy harvesting; materiais piezelétricos; otimização robusta; piezoelectric materials; quantificação de incertezas; robust optimization; uncertainty quantification; vibration analysis
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18162/tde-17012023-084840/

Em face do aumento da demanda energética dos últimos anos, a energia de diferentes fontes tem sido obtida e estudada, tal como aquela proveniente de fontes eólicas, térmicas, atômicas, químicas e mecânicas. Nesse contexto, o termo energy harvesting (colheita de energia) é empregado para se referir a energia captada de diversas fontes e convertida em eletricidade. Em virtude disso, materiais piezelétricos são utilizados com a finalidade de converter a energia de deformação devido à vibração de sistemas mecânicos em eletricidade. Para mensurar o potencial de energia coletável, uma resistência elétrica é geralmente conectada a pastilha piezelétrica. Entretanto, nesse processo, a energia disponível para conversão geralmente é baixa, o que torna necessário o estudo de metodologias de projeto que permitam maximizar a energia coletável. Esse fato deve receber maior atenção quando incertezas são consideradas no projeto, visto que a variabilidade na resposta aumenta. Desse modo, é importante escolher métodos de otimizações para projetar dispositivos que forneçam a máxima energia possível, porém que também considerem a possibilidade de minimizar o efeito das incertezas na resposta. Neste trabalho, o propósito é projetar dispositivos tipo viga cantiléver usando pastilhas piezelétricas para converter a energia mecânica proveniente de vibração em eletricidade, sabendo da existência de incertezas em alguns parâmetros incluindo o engaste. Utilizando métodos de otimização multiobjetivo, maximiza-se a potência média gerada e minimiza-se a dispersão da resposta simultaneamente. Para isso, é fundamental escolher técnicas que estimem a média e a variância da FRF de potência, com satisfatório custo computacional e precisão das respostas. Como busca-se maximização de potência, as frequências de excitação e pico de vibração dos dispositivos acabam se igualando, por isso é importante manter a sintonização. Algumas variáveis incertas de destaque abordadas são as molas que simulam o engaste do dispositivo, a camada adesiva do material piezelétrico e o fator de amortecimento, frente a diversas variáveis de projeto. Resultados mostram que dispositivos com menor comprimento de viga tendem a produzir uma maior potência média, porém com maior variabilidade na resposta frente a dispositivos de maiores comprimentos. Além disso, resistências elétricas de menores valores tendem a aumentar a robustez dos dispositivos, embora haja um decréscimo da energia, produzida pela vibração.