abstract: While the piezoelectric effect has been around for some time, it has only recently caught interest as a potential sustainable energy harvesting device. Piezoelectric energy harvesting has been developed for shoes and panels, but has yet to be integrated into a marketable bicycle tire. For this thesis, the development and feasibility of a piezoelectric tire was done. This includes the development of a circuit that incorporates piezoceramic elements, energy harvesting circuitry, and an energy storage device. A single phase circuit was designed using an ac-dc diode rectifier. An electrolytic capacitor was used as the energy storage device. A financial feasibility was also done to determine targets for manufacturing cost and sales price. These models take into account market trends for high performance tires, economies of scale, and the possibility of government subsidies. This research will help understand the potential for the marketability of a piezoelectric energy harvesting tire that can create electricity for remote use. This study found that there are many obstacles that must be addressed before a piezoelectric tire can be marketed to the general public. The power output of this device is miniscule compared to an alkaline battery. In order for this device to approach the power output of an alkaline battery the weight of the device would also become an issue. Additionally this device is very costly compared to the average bicycle tire. Lastly, this device is extreme fragile and easily broken. In order for this device to become marketable the issues of power output, cost, weight, and durability must all be successfully overcome. / Dissertation/Thesis / M.S.Tech Educational Technology 2012

A conversão de energia de vibração disponível no ambiente em energia elétrica tem sido investigada por diversos pesquisadores nos últimos anos. O objetivo é alimentar sistemas de baixo consumo convertendo energia mecânica disponível no ambiente em energia elétrica. A literatura recente mostra que a transdução piezelétrica tem recebido a maior atenção para a conversão de vibrações em eletricidade. Na prática, vigas e placas engastadas com camadas de piezocerâmicas são utilizadas como geradores piezelétricos de energia. Os geradores têm dimensões de placas em alguns casos e a previsão da potência elétrica devido à excitação de base requer uma formulação de placas. Neste trabalho, um modelo por elementos finitos (EF) eletromecanicamente acoplado é apresentado para a previsão da potência elétrica obtida a partir de geradores piezelétricos de energia. Para corpos eletroelásticos, o princípio generalizado de Hamilton é utilizado e o modelo EF é obtido a partir das hipóteses de placas de Kirchhoff, já que os geradores piezelétricos de energia são estruturas tipicamente finas. A presença de eletrodos contínuos é levada em conta no modelo EF. As previsões do modelo EF são verificadas a partir de uma solução analítica para um gerador unimorph e também a partir de resultados analíticos e experimentais para um gerador bimorph em série com uma massa concentrada encontrados na literatura. Nestes casos uma carga resistiva é utilizada no domínio elétrico. O comportamento piezo-elástico de um gerador bimorph em paralelo é investigado com um circuito resistivo no domínio elétrico. / Vibration-based energy harvesting has been investigated by several researchers over the last ten years. The goal is to power small electronic components by converting the waste mechanical energy available in their environment into electrical energy. Recent literature shows that piezoelectric transduction has received the most attention for vibration-to-electricity conversion. In practice, cantilevered beams and plates with piezoceramic layers are employed as piezoelectric energy harvesters. Aspect ratios of piezoelectric energy harvesters in several cases are plate-like and predicting the power output to base excitations requires a plate-type formulation. In this work, an electromechanically coupled finite element (FE) plate model is presented for predicting the electrical power output of piezoelectric energy harvesters. For electroelastic bodies the generalized Hamilton\'s principle is used and the FE model is based from the Kirchhoff plate assumptions as typical piezoelectric energy harvesters are thin structures. Presence of conductive electrodes is taken into account in the FE model. The predictions of the FE model are verified against the analytical solution for a unimorph cantilever and then against the experimental and analytical results of a bimorph in series cantilever with a tip mass reported in the literature. A load resistance is considered in the electrical domain. The piezoelastic behavior of a bimorph in parallel harvester is investigated for energy generation using a load resistance in the electrical domain.

A conversão de vibrações aeroelásticas em eletricidade para a geração de pequenas quantidades de potência tem recebido cada vez mais atenção nos últimos anos. Além de aplicações em potencial para estruturas aeroespaciais, o objetivo é desenvolver configurações alternativas para a coleta de energia do escoamento e usá-las em sistemas eletrônicos sem fio. O uso de uma seção típica é uma abordagem conveniente para criar instabilidades e oscilações persistentes na coleta aeroelástica de energia. Este trabalho analisa as versões linear e não linear de dois geradores aeroelásticos de energia baseados em aerofólio que utilizam transdução piezelétrica: (1) com dois graus de liberdade (GDL) e (2) com três GDL. As equações governantes eletroaeroelásticas adimensionais são dadas em cada caso com uma carga resistiva no domínio elétrico para a previsão do comportamento do sistema. Primeiro, a interação entre a geração piezelétrica de potência e os comportamentos aeroelásticos linear e não linear de uma seção típica com 2-GDL é investigada para um conjunto de cargas resistivas. As previsões do modelo são comparadas com dados experimentais obtidos em ensaios em túnel de vento na condição de flutter. No segundo estudo de caso, uma não linearidade bilinear é adicionada ao GDL de rotação da seção típica. Mostra-se que oscilações não lineares em ciclo limite podem ser obtidas abaixo da velocidade linear de flutter. As simulações do modelo previram com sucesso os resultados experimentais. Finalmente, a combinação das não linearidades rigidez cúbica (do tipo que se torna mais rígida proporcionalmente ao cubo do deslocamento) e bilinear é considerada no GDL de rotação da seção típica. A resposta piezoaeroelástica não linear é investigada para diferentes valores da razão entre a rigidez não linear e a rigidez linear. A não linearidade bilinear reduz a velocidade em que oscilações persistentes aparecem enquanto que a rigidez cúbica contribui para com a obtenção de oscilações persistentes de amplitude aceitável em uma faixa mais ampla de velocidades do escoamento. Em seguida, os comportamentos piezoaeroelásticos linear e não linear de uma seção típica com 3-GDL são investigados. A não linearidade bilinear é adicionada ao GDL de rotação da superfície de controle. Mostra-se que oscilações não lineares em ciclo limite podem ser obtidas em uma faixa de velocidades do escoamento. No último caso, a não linearidade cúbica é modelada no GDL de rotação da seção típica (além da não linearidade bilinear na superfície de controle) e oscilações de amplitude limitada são obtidas em uma faixa de velocidades do escoamento. Não linearidades concentradas podem ser introduzidas em geradores aeroelásticos de energia (que utilizam transdução piezelétrica ou outro mecanismo transdutor) para melhoria do desempenho do sistema. / Converting aeroelastic vibrations into electricity for low power generation has received growing attention over the past few years. In addition to potential applications for aerospace structures, the goal is to develop alternative and scalable configurations for wind energy harvesting to use in wireless electronic systems. The use of a typical airfoil section is a convenient approach to create instabilities and persistent oscillations in aeroelastic energy harvesting. This work analyzes the linear and non linear versions of two airfoil-based aeroelastic energy harvesters using piezoelectric transduction: (1) with two degrees of freedom (DOF) and (2) with three DOF. The governing dimensionless electroaeroelastic equations are given in each case with a resistive load in the electrical domain for predicting the system behavior. First the interaction between piezoelectric power generation and linear and non linear aeroelastic behavior of a typical section with 2-DOF is investigated for a set of resistive loads. Model predictions are compared to experimental data obtained from the wind tunnel tests at the flutter boundary. In the second case study, free play nonlinearity is added to the pitch DOF and it is shown that nonlinear limitcycle oscillations can be obtained below the linear flutter speed. The experimental results are successfully predicted by the model simulations. Finally, the combination of cubic hardening stiffness and free play nonlinearities is considered in the pitch DOF. The nonlinear piezoaeroelastic response is investigated for different values of the nonlinear-to-linear stiffness ratio. The free play nonlinearity reduces the cut-in speed while the hardening stiffness helps in obtaining persistent oscillations of acceptable amplitude over a wider range of airflow speeds. Later the linear and non linear piezoaeroelastic behavior of a typical section with 3-DOF is investigated. Free play nonlinearity is added to the control surface DOF and it is shown that nonlinear limit-cycle oscillations can be obtained over a range of airflow speeds. In the last case cubic hardening nonlinearity is modeled in the pitch DOF (in addition to the free play in the control surface) and bounded oscillations are obtained for a range of airflow speeds. Concentrated nonlinearities can be introduced to aeroelastic energy harvesters (exploiting piezoelectric or other transduction mechanisms) for performance enhancement.

Este trabalho propõe uma solução inovadora para o amortecimento de vibrações laterais indesejadas em máquinas rotativas através da conversão de energia cinética em energia elétrica por meio de um dispositivo eletromagnético passivo de colheita de energia, com o mínimo de geração de torque reativo. Para atingir estes objetivos, foram descritas e avaliadas as três principais técnicas de coleta de energia vibratória (piezelétrica, eletrostática e eletromagnética) juntamente com análises qualitativas das equações de eletromagnetismo e pelo Método dos Elementos Finitos. Um protótipo que consiste em um conjunto de ímãs permanentes anexos ao rotor e um conjunto de bobinas no estator demonstrou experimentalmente uma diminuição da amplitude de vibração em até 6,8%, na região de velocidades críticas, com geração não significativa de torque. Estes resultados foram obtidos experimentalmente mantendo-se os enrolamentos independentes entre si. / In this work, it is proposed a novel damping solution for undesired lateral vibrations in rotating machines by converting kinetic energy into electrical energy through a passive electromagnetic energy harvesting device, with minimal generation of reactive torque. In order to achieve these goals, it is described and evaluated the three main vibration energy harvesting techniques (piezoelectric, electrostatic and electromagnetic) along with qualitative analysis of electromagnetic equations and nite element analysis (FEA). Furthermore, a prototype consisting of a set of permanent magnets attached to the rotor and a set of coils attached to the stator showed a decrease in the amplitude of vibration up to 6,8% in the range of critical velocities, with non-signicant torque generation. Such results were obtained experimentally with independent-circuit coils.

Motivado pela crescente demanda por fontes energéticas alternativas, este trabalho discute o uso do efeito piezelétrico para geração de energia a partir de vibrações estruturais, cujo caráter ubíquo as têm colocado em posição de destaque dentre outras fontes renováveis. O processo conhecido por piezoelectric energy harvesting ou scavenging é estudado utilizando-se de múltiplos graus de liberdade para maximização da energia gerada e aumento da faixa de frequência útil do gerador, permitindo melhores resultados em aplicações sujeitas a excitações aleatórias de larga banda de frequência. Diretamente relacionada ao custo do dispositivo, e por isso, à sua viabilidade comercial, a eficiência dos harvesters em função da quantidade de material piezelétrico utilizado também é amplamente discutida. Para o desenvolvimento do tema são realizadas simulações numéricas em MATLAB, primeiramente para modelos de parâmetros concentrados, com análises de sensibilidade da geração de energia em relação a características mecânicas, bem como disposição e propriedades dos elementos piezelétricos em soluções com dois e três graus de liberdade. Usando modelos de parâmetros distribuídos os estudos são replicados a uma solução construtiva do tipo viga \"L\", com validação do modelo matemático e das proposições levantadas através de ensaios em laboratório usando um protótipo do gerador. Ao final é feita uma análise crítica relativa ao piezoelectric energy harvesting através de geradores de múltiplos graus de liberdade, em que são confrontados e discutidos os resultados teóricos e experimentais obtidos. / Motivated by the increasing demand on alternative energy resources, this study discusses the usage of the piezoelectric effect for energy generation from structural vibrations, which stands out among other renewable energy resources by its ubiquitous essence. The process known as piezoelectric energy harvesting or scavenging is evaluated using multiple degrees-of-freedom to maximize the energy generated and broaden the useful frequency bandwidth of the harvester, enabling better outcomes in applications subjected to random broadband excitations. Due to its direct relation to costs, and therefore to market feasibility, the harvester efficiency based on the piezoelectric material quantity is widely discussed. Numeric simulation using MATLAB are performed for the subject development, firstly using lumped parameter models to conduct generation sensitivity analysis on the mechanical characteristics, piezoelectric properties and allocation of two and three degrees-of-freedom solutions. Using distributed parameter models the study is replicated to an L-shaped configuration, with validation of the theoretical model and the brought forward proposals through laboratory experiments using an energy harvester prototype. At the end, a critical analysis on piezoelectric energy harvesting through multiple degrees-of-freedom is conducted, comparing and discussing the theoretical and experimental results.

Os materiais inteligentes têm sido utilizados em problemas de controle de vibrações e conversão de energia mecânica em energia elétrica. Apesar das diferentes opções existentes, os piezelétricos têm recebido grande atenção devido a facilidade de instalação, além de possibilidade de uso como sensores ou atuadores. Em termos de sistemas de controle utilizando materiais piezelétricos, dois grandes grupos podem ser encontrados: os controladores passivos e os ativos. Os controladores ativos utilizam o efeito piezelétrico inverso e apresentam bom desempenho na redução de vibrações. Entretanto, apresentam desvantagens relacionadas à complexidades de uma lei de controle, necessidade de equipamentos externos e, potencialmente, exigem elevada potência de atuação. Por outro lado, os controladores passivos utilizam circuitos elétricos simples, compostos somente por elementos elétricos passivos. Apesar de serem de fácil implementação prática, apresentam bom desempenho em faixas restritas de frequências. Os controladores semi-passivos, surgiram como uma alternativa aos pontos negativos dos controladores passivos e ativos. Nestes novos sistemas, o material piezelétrico instalado na estrutura a ser controlada é conectado e desconectado a um circuito shunt de forma sincronizada com as vibrações mecânicas. Em geral, a conversão eletromecânica de energia é amplificada, assim como o efeito shunt damping. Dessa forma, os circuitos chaveados têm sido utilizados tanto como controladores semi-passivos quanto em problemas de coleta piezelétrica de energia. Neste trabalho, o controle piezelétrico semi-passivo de oscilações aeroelásticas lineares e não lineares, assim como a coleta piezelétrica de energia a partir das mesmas condições, são investigados experimentalmente. Uma seção típica com dois graus de liberdade e acoplamento eletromecânico é utilizada nos experimentos. Dois tratamentos não lineares do sinal elétrico proveniente dos piezelétricos são utilizados. Primeiro, o chaveamento a partir da condição de circuito aberto para uma resistência muito baixa, próxima ao curto circuito, e posteriormente, o chaveamento da condição de circuito aberto para um indutor. Um circuito chaveador autônomo (que não depende de fontes externas de energia) é apresentado. O desempenho dos dois sistemas no controle de flutter, e também de oscilações em ciclo limite, são discutidos. Os resultados mostraram um aumento na velocidade de flutter de até 8,8% e 11,5%, com chaveamento em uma resistência e em um indutor, respectivamente. No caso de coleta de energia a partir de oscilações aeroelásticas lineares e não lineares, o desempenho dos circuitos chaveados são comparados entre si, e com o caso em que uma resistência é considerada no domínio elétrico, resultando em um aumento da potência elétrica de até 101%, para chaveamentos em resistência, e 227%, para chaveamentos em um indutor. / Smart materials have been used in vibration control and also in energy harvesting problems. Although different materials are available, piezoelectric one has received most attention due to ease of installation and possibility of use as sensors or actuators. In general, there are two large categories of vibration control techniques using piezoelectric materials: passive and active control. In active control the reverse piezoelectric effect is used. In general, they present good performance in vibration reduction over a range of frequencies. However, active control has the disadvantages of additional complexities of a control law, additional hardware and the potentially large amount of power required. On the other hand, piezoelectric passive controllers use simple electric circuits composed by passive electrical elements. Although they are simple to implement, the performance of the controlled system is sensitive to the exciting frequency. The semi-passive controllers are a recent alternative to the drawbacks of passive and active controllers. In semi-passive systems, the piezoelectric element is switched in and out of a shunt impedance, in a synchronous way with mechanical vibrations. In general, the electromechanical energy conversion is enhanced as well as the shunt effect damping. Therefore, the switching techniques have been used both in semi-passive control problems and in piezoelectric energy harvesting problems. In this work, semi-passive techniques are experimentally investigated in aeroelastic control and piezoaeroelastic energy harvesting cases. An electromechanically coupled aeroelastic typical section is used in the experiments. Two techniques are investigated, the synchronized switching damping on short and the synchronized switching damping on inductor. An autonomous switching circuit (that does not requires external source of energy) is presented resulting in a self-powered flutter controller. The performance of the two semi-passive techniques is discussed for the linear case, flutter control, as well as limit cycle oscillations control. The linear flutter speed is increased by 8.8% and 11.5% when the SSDS and SSDI techniques are used, respectively. In the case of energy harvesting from linear and nonlinear aeroelastic oscillations, the performance of switching techniques is investigated and compared to the case of simple load resistance in the electrical domain. The power output is increased by 101% for the SSDS case and 227% for SSDI case.

Neste trabalho, é apresentado um estudo sobre um sistema de micro geração de energia a partir da vibração de uma viga em balanço utilizando um transdutor piezoelétrico. A análise é feita levando-se em consideração as dimensões da viga utilizada, tipo de gerador piezoelétrico e diferentes tipos de cargas acopladas a este. O sistema de geração tem sua excitação realizada por um atuador piezoelétrico, que é alimentado por uma fonte de tensão com amplitude, frequência e forma de onda ajustáveis. A avaliação da potência de saída e influência dos diferentes tipos de carga acoplados a saída são analisados. As cargas utilizadas são: puramente resistiva, resistiva-capacitiva e não linear, por meio de um retificador de onda completa. Para avaliar experimentalmente os resultados analíticos foi utilizado um protótipo de uma viga em balanço construída com uma barra de alumínio exposta a uma excitação, induzida por um outro transdutor piezoelétrico ligado a uma placa dSpace controlada por um computador. Os parâmetros do sistema são identificados sendo possível determinar sua influência na saída e realizando assim uma análise pontual do micro gerador piezoelétrico quando submetido a uma carga qualquer. Os resultados da geração com os diferentes tipos de cargas são comparados, bem como a influência destas na dinâmica do sistema. As potências máximas são apresentadas em diferentes modos de vibração depois de otimizadas. Foram obtidos os seguintes resultados: 3;357mW com uma resistência de 200k no primeiro modo; 13;17mW com uma resistência de 50k no segundo modo; para o terceiro e quarto modos de vibração a máxima potência é obtida com a resistência de 10k, sendo 10;22mW e 15;63mW, respectivamente. A alteração da frequência de vibração é de aproximadamente 0;2% para os modos de vibração em função da resistência máxima e mínima. Para a carga resistiva-capacitiva, o comportamento da geração não é afetado significativamente para os valores de resistência de 1M e 100k. Com os valores de 10k e 1k a potência ativa se eleva em 30%, aproximadamente. O comportamento da carga não linear é aproximado por uma impedância com característica capacitiva. Sendo que, com a elevação da frequência, a impedância vista pelo gerador piezoelétrico é diminuída. A energia armazenada é de 0;8039mJ, 2;5245mJ e 1;3041mJ para o primeiro, segundo e terceiro modos de vibração, respectivamente. / This work presents a study of a energy harvesting system based on vibration from a cantilever beam utilizing a piezoelectric generator. The analysis considers the dimensions of the beam, type of piezoelectric generator and di erent types of loads coupled. A piezoelectric actuator is handles for the system excitement, powered by a voltage source with adjustable amplitude, frequency and shape. Are evaluate the output power and the in uence of di erent charge types coupled to the piezoelectric generator. The loads are purely resistive, resistive-capacitive and non-linear, by a full-wave bridge recti er. To check experimentally the analytical results, are used a prototype of a cantilever beam constructed with an aluminum bar exposed to an excitation induced by another piezoelectric transducer attached to a dSpace board controlled by a computer. The system parameters are individually identi ed to determine their in uence on output, allowing the punctual analysis of the piezoelectric harvesting when subjected to any load. The results of power generation are compare with di erent types of loads as well as its in uence on the dynamic of the system. After a optimization, the greatest power delivered to the load happen in di erent vibrational modes. We obtain the following results: 3:357mW with a 200k resistance in the rst mode; 13:17mW with a 50k resistance in the second mode, for the third and fourth vibration modes greatest power is obtained with the 10k resistance, being 10:22mW and 15:63mW, respectively. The modi cation of the vibration frequency are approximately 0:2% for all vibration modes depending on the largest and smallest resistance. For the resistive-capacitive load, the generation behavior are not a ect to the 1M and 100k resistance. With the 10k and 1k values, the active power increases by approximately 30%. The nonlinear load behavior are approach by an impedance with capacitive characteristics. With increasing of frequency, the impedance seen by the piezoelectric harvester is decreased. The energy stored is 0:8039mJ, 2:5245mJ and 1:3041mJ for the rst, second and third vibration modes, respectively.

Esta Tese apresenta o desenvolvimento de um protótipo de um microgerador termoelétrico para captação de energias residuais baseado no Efeito Seebeck com sistema de transferência de calor intercambiável. Neste sentido, desenvolveu-se dois sistemas de transferência térmica, sendo um para captação do calor residual de processos industriais constituído por um módulo denominado captor de calor intercambiável e por outro módulo para resfriar o sistema. Destaca-se que o sistema térmico desenvolvido permite a sua adaptação ao processo industrial por meio da troca do captor de calor, otimizando a transferência térmica para o microgerador termoelétrico. Com base nos dados medidos fez se um tratamento dos dados obtendo-se uma tensão de circuito aberto de Vopen=0,4306xΔT [mV] e uma resistência interna de R0=9,41Ω, com uma tolerância de ΔRint=0,77Ω tal que Rint=R0±ΔRint=9,41±0,77Ω. As medições feitas com a condição de máxima potência de saída foi obtida em um gradiente de temperatura de ΔT=80°C resultando numa potência máxima Pout≈29W. Como resultado obteve-se o protótipo de um microgerador termoelétrico baseado no Efeito Seebeck para captação de energias residuais, customizado e adaptado às características do processo industrial e à respectiva carga (potência e tensão), permitindo a troca e alteração da configuração do sistema de transferência de calor bem como, a reconfiguração do arranjo dos módulos termoelétricos. / This thesis presents the development of a prototype of a thermoelectric microgenerator to energy harvesting based on the Seebeck Effect with interchangeable heat transfer system. In this sense, it developed two heat transfer systems, one for capture of waste heat from industrial processes consisting of a sensor module called interchangeably heat and cool the module to another system. It is noteworthy that the thermal system developed allows its adaptation to industrial process by exchanging the sensor heat, optimizing heat transfer to the thermocouple microgenerator. Based on measured data has a data processing yielding a open circuit voltage of Vopen=0,4306xΔT and an internal resistance of R0=9,41Ω, with a tolerance of ΔRint=0,77Ω such that Rint=R0±ΔRint=9,41±0,77Ω. The measurements made on the condition of maximum output was obtained at a temperature gradient of ΔT=80°C resulting in a maximum power Pout≈29W. As a result we obtained a prototype thermoelectric microgenerator based on Seebeck effect to energy harvesting, energy customized and adapted to the characteristics of industrial process and its load (power and voltage), allowing the exchange and change the configuration of the transfer system heat as well as reconfiguring the arrangement of thermoelectric modules.

O estudo das vibrações é importante para prevenir danos em equipamentos ou mesmo evitar catástrofes de grande natureza. Nesse sentido, aproveitar a energia que seria dissipada na vibração e contribuir no controle do sistema representa um grande avanço tecnológico. O termo Energy Harvesting (Colheita de Energia) está relacionado ao contexto do aproveitamento energético, utilizando sistema de conversão para transformação da energia em eletricidade. Através de um dispositivo com viga engastada e massa inercial na extremidade, é possível realizar o estudo de vibração e coleta de energia, ao se considerar uma estrutura piezelétrica acoplada na viga e conectada a um circuito elétrico com resistor. Estruturas inteligentes que atuam na conversão de energia mecânica em elétrica, ou vice-versa, são fundamentais para esse estudo, o que motiva a inclusão dos sensores piezelétricos no projeto de dispositivos estudados e sujeitos a vibrações. Por outro lado, otimizar parâmetros de projeto é fundamental para aumentar a amplitude de vibração e tornar o processo com maior desempenho, tendo em vista maior captação de energia. Ainda, parâmetros otimizados podem estar sujeitos a incertezas do projeto e variações, devido a flutuações ambientais, como temperatura, pressão, propriedades dos materiais, geometria, etc. Por isso, técnicas robustas que tornem os projetos menos sensíveis a variações são interessantes para serem abordadas. Embora métodos de projetos robustos sejam eficientes, poucas pesquisas têm sido feitas na área da dinâmica de vibrações e alguns processos podem demandar tempo computacional dependendo do estudo ou projeto. Este trabalho tem como propósito abordar um método específico de projeto robusto focado em uma metodologia com matrizes chamadas ortogonais. Além disso, o método determinístico via algoritmo de Programação Sequencial Quadrático (SQP) é utilizado. O trabalho consiste numa abordagem para coleta de energia em um modelo de viga engastada, otimizando parâmetros e inserindo incertezas no sistema para análise de robustez e verificação de comprimentos adequados de vigas para os dispositivos. Os resultados mostram um aumento da energia coletada, analisando funções de resposta em frequências para saída de potência, diante de uma entrada de deslocamento no engaste do dispositivo, projetado via otimização determinística, além de aumento de robustez de acordo com certos critérios considerando circuito elétrico com resistência corretamente selecionada. / The study of vibrations is important to prevent damage to equipment or even prevent major catastrophes. In this sense harvesting the energy that would otherwise be dissipated in vibration and contributing to the control of the system represents a great technological advance. The term Energy Harvesting is related to the context of energy use, using a conversion system to transform energy into electricity. Through a device with clamped beam and inertial mass at the end, it is possible to study the vibration and energy harvesting, considering a piezoelectric structure coupled to the beam and connected to a resistance electric circuit. Smart structures that act in the conversion of mechanical energy to electrical energy, or vice versa, are fundamental for this study, which motivates the inclusion of piezoelectric sensors in the design of studied devices and subject to vibrations. On the other hand, optimizing design parameters is fundamental to increase the amplitude of vibration and increase process performance, in view of greater power uptake. Furthermore, optimized parameters may be subject to design uncertainties and variations due to environmental fluctuations such as temperature, pressure, material properties, geometry, etc. Therefore, robust techniques that make designs less sensitive to variations are interesting to be addressed. Although robust design methods are efficient, few researches have been done in the area of vibration dynamics and some processes may require computational time depending on the study or project. This work aims to address a specific method of robust design focused on a methodology with matrices called orthogonal. In addition, the deterministic method using Sequential Quadratic Programming (SQP) algorithm is used. The work consists of an approach to harvest energy in a clamped beam model, optimizing parameters and inserting uncertainties in the system for robustness analysis and verification of adequate beam lengths for the devices. The results show an increase in the harvested energy, analyzing frequency response functions for power output, in the face of a displacement input in the device clamp, designed through deterministic optimization,besides increasing robustness according to certain criteria considering electric circuit with correctly selected resistance.

Depuis des siècles nous utilisons des véhicules équipés des systèmes de suspension de vibrations. Ils permettent d'avoir un confort acceptable et ajoutent de la sécurité à la conduite. Les nouveaux systèmes installés dans les véhicules sont des systèmes actifs. Ils peuvent être adaptés selon les exigences en temps réel. Ces types de systèmes sont utilisés pour l'amortissement de vibrations et pour l’isolation vibro-acoustique. Dans la thèse nous présentons une nouvelle approche d'un système adaptatif pour les applications automobiles. Nous faisons l'hypothèse qu’un portage d'un système centralisé en système distribué peut améliorer son efficacité. Nous proposons un réseau de capteurs sans fil pour l’amortissement de vibrations dans les applications automobiles. Un capteur du réseau est capable de mesurer des vibrations, d’amortir des vibrations et de récupérer l’énergie depuis les vibrations en utilisant un seul élément piézoélectrique (la méthode Serial-SSHI). Ensuite nous validons le réseau de capteurs sur une structure mécanique de type plaque. Les mesures sont comparées avec des simulations d’éléments finis. Les résultats des mesures et des simulations confirment le choix des solutions. Le nœud du réseau fournit ses fonctionnalités destinées avec une efficacité acceptable. Nous validons la récupération d’énergie depuis les vibrations et la mesure des vibrations. Ensuite nous validons un effet local d’amortissement de vibrations et un effet global (le réseau de capteurs permet d’avoir une action d’amortissement complémentaire). / For centuries we have used vehicles equipped with the vibration suspension systems. These systems are used to provide comfort and safety. Nowadays we are implementing the active systems which can be adapted according to the real-time requirements. These types of systems are used to damp vibrations and to provide noise and vibration insulation. In the thesis we present a new approach of an adaptive system for automotive applications. We assume that a porting of a centralized system in a distributed system can improve its effectiveness. We offer a wireless sensor network for damping vibration in automotive applications. A network sensor is able to measure the vibrations, damp the vibrations and energy harvesting from vibrations by using a single piezoelectric element (Serial-SSHI method). We validate the network of nodes on a mechanical structure. The measurements are compared with finite element simulations. The results of measurements and simulations confirm the choice of solutions. The network node provides designed functionality with acceptable efficiency. We also validate the energy harvesting and the vibration measurements. The outcome of the work confirm a local effect of vibrations damping and a global effect (the designed Wireless Sensor Network provides a supplementary damping action).