Neste trabalho foram investigadas fibras cerâmicas piezoelétricas produzidas por extrusão a partir de quatro diferentes pós comerciais de zirconato titanato de chumbo (PZT): EC65, EC76, PCM51A, PZT5K. Foram ainda testadas aditivações com lantânio (0,5, 4,0 e 8,0 % mol) e PbO (3,0 % mol) em um dos pós (EC65). A queima das fibras foi realizada em duas diferentes temperaturas (1050°C e 1200°C) com patamar de duas horas. A queima foi realizada em atmosfera rica em chumbo, utilizando para controle da atmosfera: i) PbO e ii) mistura de PbZrO3 e ZrO2. As propriedades piezoelétricas foram testadas em fibras individuais por meio de uma técnica específica original. As fibras foram polarizadas, aplicando um campo elétrico de 3,5 kV/mm por cinco minutos. Subseqüentemente, a evolução da deformação (S) para as fibras como função do campo elétrico aplicado (E) de ± 3 kV/mm foi medida em uma freqüência de 2,778 mHz. Os resultados dos testes de queima mostram que retração mais elevada ocorre a temperaturas mais baixas na atmosfera de PbO. As medidas ferroelétricas mostraram que as fibras com composição próxima à fronteira de fase morfotrópica, com uma quantidade mais elevada de fase tetragonal combinada com um tamanho de grão maior possuem melhor resposta ferroelétrica. Comparando os resultados das medidas ferroelétricas dos quatro materiais sinterizados, o EC65 apresentou-se como o material mais promissor devido à sua elevada resposta ferroelétrica aliada a baixo crescimento de grão. A aditivação do pó EC65 com lantânio prejudicou a sinterabilidade e elevou a porosidade das fibras. Estes efeitos apresentaram-se mais significativos quanto maior o teor de lantânio utilizado, e suas conseqüências na microestrutura das fibras são suficientemente drásticas para mascarar quaisquer benefícios advindos do efeito dopante em si. Da mesma forma, a adição de excesso de 3% em moles de chumbo prejudicou a microestrutura final das fibras, e desencadeou o surgimento de um defeito no núcleo das fibras, possivelmente ocasionado por problemas de fluxo durante a extrusão. / In this investigation, ceramic piezoelectric fibers produced by using four different commercial PZT powders (EC65, EC76, PCM51A, PZT5K) were investigated. Modifications of EC65 with lanthanum (0.5, 4.0 and 8.0 mole-%) and PbO (3.0 mole-%) were also tested. The fibers were sintered using two different sintering temperatures (1050°C and 1200°C) in a PbO-rich atmosphere. To provide a PbO-rich atmosphere during the sintering, two different powder mixtures were enclosed: i) PbO ii) a mixture of PbZrO3 and ZrO2. The piezoelectric properties were tested on single fibers by means of a novel single fiber test method. The fibers were polarized by applying an electric field of 3.5 kV/mm for five minutes. Subsequently the free strain (S) evolution for the single fibers as function of the applied electric field (E; ± 3 kV/mm) was measured at a frequency of 2.778 mHz. The results of the sintering experiments show that higher shrinkage occurs at lower temperatures in the PbO atmosphere. The ferroelectric measurements showed that fibers consisting of a composition near the morphotropic phase boundary with a slightly higher amount of tetragonal phase combined with a higher grain size possess improved free strain evolution. EC65 is the most promising material because of its high free strain combined with a comparable small grain size after sintering. Modification of EC65 with Lanthanum has worsened the sinterability and increased porosity of the fibers. The effect was more intense for higher La contents, and its consequences in the microstructure of the fibers are drastic enough to mask any benefits of the doping effect itself. In the same way, the addition of excess of 3%-mole of lead oxide was detrimental to the final microstructure of the fibers, and caused a macroscopic defect in the nucleus of the fibers, possibly caused by flow problems during the extrusion.

O presente estudo investigou a síntese de fibras cerâmicas piezoelétricas de Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) de estrutura perovskita,utilizando a técnica de electrospinning e a relação dos parâmetros fluxo e tensão aplicada com as características apresentadas pelas fibras após o tratamento térmico. Cerâmicas PZT estão presentes em muitas aplicações tecnológicas por apresentarem excelentes propriedades ferroelétricas, piroelétricas e piezoelétricas. Para a obtenção das fibras por electrospinning, foram utilizados como precursores compostos organometálicos como acetato de chumbo trihidratado, propóxido de zircônio (IV) e Isopropóxido de titânio (IV), que foram diluídos em álcool isopropílico e álcool etílico anidro. Como veículo para a formação das fibras, foi empregado o polímero polivinilpirrolidona (PVP). Para o ajuste do pH, foi utilizado ácido acético glacial. As fibras foram tratadas termicamente a 700°C, com patamar de 1 hora e taxa de aquecimento de 10°C/min. As fibras obtidas foram caracterizadas pelas técnicas de termogravimetria, difração de raios X, espectroscopia Raman, cálculo da área superficial específica através do modelo BET, espectroscopia de energia dispersiva de raios X e microscopia eletrônica de varredura. As fibras também tiveram a sua resposta piezoelétrica direta comprovada de uma forma simplificada. O teste do efeito direto piezoelétrico foi feito em um conjunto de fibras aleatoriamente orientadas. Após tratamento térmico, as fibras apresentaram diâmetro entre 200 e 500 nm e uma estrutura cristalina constituída apenas pela fase perovskita típica do PZT para todas as amostras produzidas. A área de superfície específica variou entre 2,8 m2/g e 4,2 m2/g. Com o aumento do fluxo de material, a área superficial específica diminuiu e com o aumento da tensão aplicada esta área aumentou. O teste da resposta piezoelétrica direta mostrou que as fibras obtidas após o tratamento térmico e após a polarização apresentavam o fenômeno de piezoeletricidade quando carregadas e eram capazes de alcançar valores de tensão de 50 mV para um carregamento de 300g em uma célula montada de forma simples com uma área de 5x5mm2 coberta pelas fibras de PZT. / This study investigated the synthesis of piezoelectric ceramic fibers of Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) with perovskite structure, using the technique of electrospinning, and the relation of flow and applied voltage parameters to the characteristics presented by the fibers after heat treatment. PZT ceramics are present in many technological applications due to their excellent ferroelectric, piezoelectric and pyroelectric properties. In order to obtain the fibers by electrospinning, were used as precursor metallo-organic compounds such as lead acetate trihydrate, zirconium (IV) propoxide, titanium (IV) isopropoxide, which were diluted in isopropyl alcohol and anhydrous ethyl alcohol. Polymer polyvinylpyrrolidone (PVP) was used as a vehicle for fiber formation and glacial acetic acid for pH adjustment, as well. The fibers were thermally treated at 700 °C, with a level of 1 hour and a heating rate of10°C/min. The fibers were characterized by thermogravimetry, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, specific surface area by BET model, energy-dispersive X-ray spectroscopy and scanning electron microscopy. The fibers also had their piezoelectric response directly proven in a simplified manner. The direct piezoelectric effect test was made on a set of randomly oriented fibers. After heat treatment, the fibers presented diameter between 200 and 500 nm and a crystalline structure consisting of only the perovskite phase PZT typical of for all samples produced. The specific surface area varied between 2.8 m2/g e 4.2 m2/g. With the increase in the flow of material, the specific surface area decreased and with the increase this area of the applied voltage increased. The direct piezoelectric response test showed that the fiber obtained after the heat treatment and after the polarization presented the phenomenon of piezoelectricity when loaded and ware capable to achieve voltages of 50 mV for a load of 300g, in a cell assembled in a simplified way, with an area of 5x5mm2 covered by the PZT fibers.

Orientador: Munemasa Machida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-14T11:17:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Collares_MagnoPinto_M.pdf: 954533 bytes, checksum: b4a775a72e806d301c387d84149fdce3 (MD5) Previous issue date: 1986 / Resumo: Foram montadas sondas de pressão, utilizando cerâmicas piezoelétricas, como uma forma de diagnóstico de plasma em máquinas pulsadas. O método usado para a calibração da sonda de pressão foi com o tubo de onda de choque, o qual além de determinar a relação entre a pressão aplicada e a tensão gerada no piezoelétrico, possibilitou a determinação da resolução temporal da sonda de pressão, que é de aproximadamente 1 mseg. Os resultados que foram obtidos com a medição de fugas de partículas pelas extremidade da máquina linear de confinamento magnético de plasma (Tupã I), utilizando a sonda de pressão, foram comparados com os valores teóricos e apresentaram uma boa concordância entre eles / Abstract: Have been constructed pressure probes using piezoelectrics ceramics as a tool for the plasma diagnostics on the pulsed machines. A shock tube has been used for the method of calibration and determination of relationship between the applied pressure and the voltage generated by the piezoelectric. The rise time of the signal and theoretical calculations estimated the response time of the probe in ~ 1 mseg. As the preliminary test, the probe has been coupled to the Tupã I, linear Theta-Pinch machine at Unicamp, and the results obtained compared with theoretical calculations showed a good agreement / Mestrado / Física / Mestre em Física

A instabilidade de placas de materiais compostos com lâminas piezoelétricas coladas em suas superfícies têm sido alvo de diversos estudos nos últimos anos. Estruturas inteligentes tentam driblar os problemas de instabilidade com a implementação de um sistema de controle que através de uma rede de sensores e atuadores piezoelétricos disposta sobre a estrutura confere robustez ao sistema estrutural. Uma técnica para aumentar as cargas de flambagem de placas de materiais compostos é proposta. A técnica utiliza tensões residuais para criar forças de tração não nulas agindo ao longo do plano da placa permitindo a aplicação de forças externas maiores que as cargas críticas de flambagem tradicionais. A idéia consiste em restringir completamente os movimentos da placa nas direções do seu plano, em todo contorno, e aplicar uma voltagem em atuadores simetricamente colados nas faces da mesma. Essa voltagem é aplicada de tal forma que os atuadores contraiam resultando em forças de tração uniformes ao longo do plano da placa.

Este trabalho investigou o sistema (1 - x )PZT - x PMN, avaliando a influência da composição química e dos parâmetros de sinterização na microestrutura e propriedades elétricas dos corpos cerâmicos obtidos pelo método convencional de mistura de óxidos. Os óxidos usados foram o Nb2O5, ZrO2, TiO2, PbO e MgCO3, cominuídos e homogeneizados em moinho de bolas, por 3 horas. Para o 0,65PZT - 0,35PMN, utilizou-se 28,58% de Nb2O5, 38,93% de ZrO2, 23,29% de TiO2 e 9,2% de MgCO3; para o 0,75PZT-0,25PMN, utilizou-se 20,9% de Nb2O5, 45,34% de ZrO2, 27,13% de TiO2 e 6,62% de MgCO3 e para o 0,85PZT-0,15PMN, usa-se 12,71% de Nb2O5, 52,09% de ZrO2, 31,16% de TiO2 e 4,04% de MgCO3. O pó obtido foi submetido a calcinação a 1200°C por 4 h e, então, acrescentado PbO com um excesso de 2% em massa.à mistura, a qual foi submetida a uma nova calcinação a 800°C durante 2 horas. O pó resultante da calcinação foi conformado por prensagem, utilizando uma prensa uniaxial a 190 MPa, na forma de discos medindo 10 mm de diâmetro e 1,5 mm de espessura. A curva de queima dos corpos cerâmicos consistiu em um novo patamar a 500°C por 4h (e/ou a 800°C por 2h) e outro consecutivo a 1200°C por 4h. As amostras foram caracterizadas pela sua densidade e porosidade aparente (método de Arquimedes), composição de fases (por difração de raio-X), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e caracterização elétrica (constante dielétrica e capacitância). Os corpos cerâmicos correspondentes à composição 0,75PZT-0,25PMN alcançaram a maior densidade (7,09 ± 0,18 g/cm³) quando calcinados sucessivamente a 500°C e a 800°C, com os maiores valores de capacitância (210 pF a 200 KHz) e de constante dielétrica (1000 na frequência de 1 KHz), com menor evidência de formação de pirocloro e maior de perovskita. Os valores de constante dielétrica encontrados estão dentro do esperado para materiais cerâmicos piezoelétricos do tipo PZT - PMN, aproximadamente 1000 para freqüências de 1KHz. / This work investigated the system (1 - x )PZT - x PMN, evaluating the influence of the chemical composition and the sintering parameters on the microstructure and the electric properties of ceramic bodies obtained by the conventional method of mixture of oxides. The used oxides were Nb2O5, ZrO2, TiO2, PbO e MgCO3, squeezed and homogenized in mill of balls, for 3 hours. For the 0.65PZT-0.35PMN, it was used 28.58% of Nb2O5, 38.93% of ZrO2, 23.29% of TiO2 and 9.2% of MgCO3; for the 0.75PZT-0.25PMN, it was used 20.9% of Nb2O5, 45.34% of ZrO2, 27.13% of TiO2 and 6.62% of MgCO3 and for the 0.85PZT-0.15PMN, it is used 12.71% of Nb2O5, 52.09% of ZrO2, 31.16% of TiO2 and 4.04% of MgCO3. The obtained powder was submitted the calcination for 1200°C for 4 h and, then, increased PbO with an excess of 2% in mass, which was submitted to a new calcination to 800°C for 2 hours. The calcinated powder was conformed by pressing, using a uniaxial press to 190 MPa, in the form of disks measuring a diameter of 10mm and 1.5 mm of thickness. The curve of the burning of the ceramic bodies consisted in a new calcination to 500°C for 4h (and/or to 800°C for 2h) and other consecutive to 1200°C for 4h. The samples were characterized by density and apparent porosity (Method of Arquimedes), composition of phases (by X - rays diffraction), Scanning Electric Microstructure (SEM) and electrical properties characterization (dielectric constant and capacitance). The ceramic bodies corresponding to the composition 0.75PZT-0.25PMN reached the largest density (7.09 ± 0.18 g/cm³) when calcined successively to 500°C and 800°C, with the largest values of capacitance (210 pF to 200 KHz) and dielectric constant (1000 in the frequency of 1 KHz), with smaller evidence of pyrochlore formation and larger of perovskte. The values of dielectric constant found are inside of the expected for the piezoelectric ceramics of the type PZT- PMN, approximately 1000 by frequencies of 1KHz.

Este trabalho investigou o sistema (1 - x )PZT - x PMN, avaliando a influência da composição química e dos parâmetros de sinterização na microestrutura e propriedades elétricas dos corpos cerâmicos obtidos pelo método convencional de mistura de óxidos. Os óxidos usados foram o Nb2O5, ZrO2, TiO2, PbO e MgCO3, cominuídos e homogeneizados em moinho de bolas, por 3 horas. Para o 0,65PZT - 0,35PMN, utilizou-se 28,58% de Nb2O5, 38,93% de ZrO2, 23,29% de TiO2 e 9,2% de MgCO3; para o 0,75PZT-0,25PMN, utilizou-se 20,9% de Nb2O5, 45,34% de ZrO2, 27,13% de TiO2 e 6,62% de MgCO3 e para o 0,85PZT-0,15PMN, usa-se 12,71% de Nb2O5, 52,09% de ZrO2, 31,16% de TiO2 e 4,04% de MgCO3. O pó obtido foi submetido a calcinação a 1200°C por 4 h e, então, acrescentado PbO com um excesso de 2% em massa.à mistura, a qual foi submetida a uma nova calcinação a 800°C durante 2 horas. O pó resultante da calcinação foi conformado por prensagem, utilizando uma prensa uniaxial a 190 MPa, na forma de discos medindo 10 mm de diâmetro e 1,5 mm de espessura. A curva de queima dos corpos cerâmicos consistiu em um novo patamar a 500°C por 4h (e/ou a 800°C por 2h) e outro consecutivo a 1200°C por 4h. As amostras foram caracterizadas pela sua densidade e porosidade aparente (método de Arquimedes), composição de fases (por difração de raio-X), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e caracterização elétrica (constante dielétrica e capacitância). Os corpos cerâmicos correspondentes à composição 0,75PZT-0,25PMN alcançaram a maior densidade (7,09 ± 0,18 g/cm³) quando calcinados sucessivamente a 500°C e a 800°C, com os maiores valores de capacitância (210 pF a 200 KHz) e de constante dielétrica (1000 na frequência de 1 KHz), com menor evidência de formação de pirocloro e maior de perovskita. Os valores de constante dielétrica encontrados estão dentro do esperado para materiais cerâmicos piezoelétricos do tipo PZT - PMN, aproximadamente 1000 para freqüências de 1KHz. / This work investigated the system (1 - x )PZT - x PMN, evaluating the influence of the chemical composition and the sintering parameters on the microstructure and the electric properties of ceramic bodies obtained by the conventional method of mixture of oxides. The used oxides were Nb2O5, ZrO2, TiO2, PbO e MgCO3, squeezed and homogenized in mill of balls, for 3 hours. For the 0.65PZT-0.35PMN, it was used 28.58% of Nb2O5, 38.93% of ZrO2, 23.29% of TiO2 and 9.2% of MgCO3; for the 0.75PZT-0.25PMN, it was used 20.9% of Nb2O5, 45.34% of ZrO2, 27.13% of TiO2 and 6.62% of MgCO3 and for the 0.85PZT-0.15PMN, it is used 12.71% of Nb2O5, 52.09% of ZrO2, 31.16% of TiO2 and 4.04% of MgCO3. The obtained powder was submitted the calcination for 1200°C for 4 h and, then, increased PbO with an excess of 2% in mass, which was submitted to a new calcination to 800°C for 2 hours. The calcinated powder was conformed by pressing, using a uniaxial press to 190 MPa, in the form of disks measuring a diameter of 10mm and 1.5 mm of thickness. The curve of the burning of the ceramic bodies consisted in a new calcination to 500°C for 4h (and/or to 800°C for 2h) and other consecutive to 1200°C for 4h. The samples were characterized by density and apparent porosity (Method of Arquimedes), composition of phases (by X - rays diffraction), Scanning Electric Microstructure (SEM) and electrical properties characterization (dielectric constant and capacitance). The ceramic bodies corresponding to the composition 0.75PZT-0.25PMN reached the largest density (7.09 ± 0.18 g/cm³) when calcined successively to 500°C and 800°C, with the largest values of capacitance (210 pF to 200 KHz) and dielectric constant (1000 in the frequency of 1 KHz), with smaller evidence of pyrochlore formation and larger of perovskte. The values of dielectric constant found are inside of the expected for the piezoelectric ceramics of the type PZT- PMN, approximately 1000 by frequencies of 1KHz.

Este trabalho investigou o sistema (1 - x )PZT - x PMN, avaliando a influência da composição química e dos parâmetros de sinterização na microestrutura e propriedades elétricas dos corpos cerâmicos obtidos pelo método convencional de mistura de óxidos. Os óxidos usados foram o Nb2O5, ZrO2, TiO2, PbO e MgCO3, cominuídos e homogeneizados em moinho de bolas, por 3 horas. Para o 0,65PZT - 0,35PMN, utilizou-se 28,58% de Nb2O5, 38,93% de ZrO2, 23,29% de TiO2 e 9,2% de MgCO3; para o 0,75PZT-0,25PMN, utilizou-se 20,9% de Nb2O5, 45,34% de ZrO2, 27,13% de TiO2 e 6,62% de MgCO3 e para o 0,85PZT-0,15PMN, usa-se 12,71% de Nb2O5, 52,09% de ZrO2, 31,16% de TiO2 e 4,04% de MgCO3. O pó obtido foi submetido a calcinação a 1200°C por 4 h e, então, acrescentado PbO com um excesso de 2% em massa.à mistura, a qual foi submetida a uma nova calcinação a 800°C durante 2 horas. O pó resultante da calcinação foi conformado por prensagem, utilizando uma prensa uniaxial a 190 MPa, na forma de discos medindo 10 mm de diâmetro e 1,5 mm de espessura. A curva de queima dos corpos cerâmicos consistiu em um novo patamar a 500°C por 4h (e/ou a 800°C por 2h) e outro consecutivo a 1200°C por 4h. As amostras foram caracterizadas pela sua densidade e porosidade aparente (método de Arquimedes), composição de fases (por difração de raio-X), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e caracterização elétrica (constante dielétrica e capacitância). Os corpos cerâmicos correspondentes à composição 0,75PZT-0,25PMN alcançaram a maior densidade (7,09 ± 0,18 g/cm³) quando calcinados sucessivamente a 500°C e a 800°C, com os maiores valores de capacitância (210 pF a 200 KHz) e de constante dielétrica (1000 na frequência de 1 KHz), com menor evidência de formação de pirocloro e maior de perovskita. Os valores de constante dielétrica encontrados estão dentro do esperado para materiais cerâmicos piezoelétricos do tipo PZT - PMN, aproximadamente 1000 para freqüências de 1KHz. / This work investigated the system (1 - x )PZT - x PMN, evaluating the influence of the chemical composition and the sintering parameters on the microstructure and the electric properties of ceramic bodies obtained by the conventional method of mixture of oxides. The used oxides were Nb2O5, ZrO2, TiO2, PbO e MgCO3, squeezed and homogenized in mill of balls, for 3 hours. For the 0.65PZT-0.35PMN, it was used 28.58% of Nb2O5, 38.93% of ZrO2, 23.29% of TiO2 and 9.2% of MgCO3; for the 0.75PZT-0.25PMN, it was used 20.9% of Nb2O5, 45.34% of ZrO2, 27.13% of TiO2 and 6.62% of MgCO3 and for the 0.85PZT-0.15PMN, it is used 12.71% of Nb2O5, 52.09% of ZrO2, 31.16% of TiO2 and 4.04% of MgCO3. The obtained powder was submitted the calcination for 1200°C for 4 h and, then, increased PbO with an excess of 2% in mass, which was submitted to a new calcination to 800°C for 2 hours. The calcinated powder was conformed by pressing, using a uniaxial press to 190 MPa, in the form of disks measuring a diameter of 10mm and 1.5 mm of thickness. The curve of the burning of the ceramic bodies consisted in a new calcination to 500°C for 4h (and/or to 800°C for 2h) and other consecutive to 1200°C for 4h. The samples were characterized by density and apparent porosity (Method of Arquimedes), composition of phases (by X - rays diffraction), Scanning Electric Microstructure (SEM) and electrical properties characterization (dielectric constant and capacitance). The ceramic bodies corresponding to the composition 0.75PZT-0.25PMN reached the largest density (7.09 ± 0.18 g/cm³) when calcined successively to 500°C and 800°C, with the largest values of capacitance (210 pF to 200 KHz) and dielectric constant (1000 in the frequency of 1 KHz), with smaller evidence of pyrochlore formation and larger of perovskte. The values of dielectric constant found are inside of the expected for the piezoelectric ceramics of the type PZT- PMN, approximately 1000 by frequencies of 1KHz.

This dissertation aims to apply piezoelectric materials as actuator and sensor to perform aeroelastic analysis. Two semi-span wing models based on flat plates with different characteristics were tested using PZT (Lead Zirconate Titanate) as actuator, PVDF (Polyvinylidene Fluoride) as sensor and the results were compared with vibrometer laser results. An aluminum model with a ballast on the wing tip, whose its location can be modified was tested in experimental modal analysis. Using the aluninum model, an investigation about aeroelastic behaviour was conducted in wind tunnel and the V-g/V-f diagram determined. This diagram shows the aeroelastic evolution of the natural frequencies and damping as function of speed (or dynamic pressure). In this aeroelastic analysis, the ability of the PVDF in determining the V-g/V-f diagram was evaluated. A numerical model of composite flat plate was generated considering the piezoelectric instrumentations. The second specimen tested corresponds to composite wing models that are based on laminate composite flat plate. Five models with different fiber orientations were tested in (pure) experimental modal analyses and wind tunnel, hence, the capability of excitation of PZT was verified. Good results were obtained regarding the estimation of natural frequency and damping factor using a single PVDF element. The application of PZT as actuator in the wind tunnel test showed improvement on the data acquisition in terms of noise. However, were observed some characteristics that require careful. As support to experimental tests, several studies were performed.

Orientador: Jose Roberto de França Arruda / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-09-11T20:54:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LimaJunior_JoseJulianode_D.pdf: 11744073 bytes, checksum: 68bfb9d1ab48e45e1012f62b426533bd (MD5) Previous issue date: 1999 / Resumo: Apresenta-se uma metodologia para a modelagem analítica e numérica de estruturas, com elementos piezelétricos incorporados. Obtêm-se modelos analíticos de placa de Kirchhoff e Mindlin-Reissner e de viga de Euler-Bemoulli e Timoshenko, a partir das equações de movimento de casca, com a aplicação dos Postulados de Love e da escolha apropriada dos raios de curvaturas e dos Parâmetros de Lamé. Em seguida, são consideradas, nos modelos, as influências do elemento piezelétrico. O princípio variacional, aplicado em meios piezelétricos, é obtido com o auxílio da energia potencial mecânica da estrutura e elétrica do material piezelétrico. Com base nesse princípio, vários modelos numéricos são desenvolvidos, usando o método dos elementos finitos, tais como o modelo que usa o elemento sólido 3D, modelos de placa de Kirchhoff e Mindlin-Reissner e de viga de Euler-Bemoulli e Timoshenko. Desenvolve-se um programa computacional para a realização da análise estática e dinâmica de estruturas, com elementos piezelétricos incorporados. Simulações numéricas e experimentais são efetuadas e os resultados gerados são comparados entre si e com os dados disponíveis em algumas das referências bibliográficas citadas / Abstract: An analytical and numerical approach for modelling intelligent structures with incorporated piezoelectric elements is presented. Analytical models of Kirchhoff and Mindlin-Reissner plates and of Euler-Bemoulli and Timoshenko beams are obtained from equations of motion of structures having shell characteristics with the application of the Love Postulates and judicious choices of the curvature radii and Lamé Parameters. Then, the effects of the piezoelectric element are taken into account in the models. The variational principIe for piezoelectric media is obtained by considering both the potential mechanical energy of the structures and the electrical energy of the piezoelectric material. Based in this principle, various numerical models are developed by applying the finite element method: such as the 3D solid element model, the Kirchhoff and Mindlin-Reissner plate models and the Euler-Bemoulli and Timoshenko beam models. A computer program is developed for the static and dynamical analyses of structures with incorporated piezoelectric elements. A range of numerical simulations and experimental tests are carried out and the results are compared to each other and to available data found in the literature / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia de projeto ótimo de estruturas ativamente controladas (inteligentes), com o objetivo de suprimir as vibrações induzidas por perturbações externas. O projeto é realizado simultaneamente para a topologia estrutural e a localização de atuadores. O problema de otimização topológica é formulado para três fases materiais (dois materiais sólidos e vazio),com dois grupos de variáveis de projeto. Um material não piezelétrico elástico isotrópico forma a parte puramente estrutural, enquanto um material piezelétrico compõe a parte ativa. Uma vez que não há método eficiente para tratar as variáveis de projeto estruturais e de controle em um mesmo ambiente de otimização, este trabalho propõe uma abordagem de solução aninhada. Nesta solução, o posicionamento dos atuadores e a síntese do sistema controlador são considerados em um laco de projeto paralelo ao processo de otimização que lida com a topologia estrutural. O laço de otimização principal está relacionado `as variáveis de projeto estruturais, ou seja, ´e calculado onde deve haver material sólido e onde deve haver espaços vazios, através de um problema de minimização de flexibilidade. A localização de atuadores ´e determinada por uma otimização baseada em uma lei de controle que define onde o material deve ter propriedades piezelétricas, através da maximização de uma medida de controlabilidade. Os exemplos numéricos mostram que a abordagem utilizada neste trabalho pode produzir uma topologia estrutural bem definida com uma boa colocação para os atuadores. Além disso, as topologias ótimas encontradas são capazes de melhorar o amortecimento ativo da estrutura. / This work develops an optimal design methodology for actively controlled structures, aiming to suppress vibrations induced by external disturbances. Design is conducted simultaneously for the structural topology and actuator placement. A topology optimization problem is formulated for three material phases (two solid materials and void) with two design variables groups. A non-piezoelectric elastic isotropic material forms the structural only part of the design, while a piezoelectric material composes the active part. Since there is no efficient method to treat structural and control design variables in the same optimization framework, this work proposes a nested solution approach, where the actuator locations and controller syntheses are regarded as a parallel design to the main optimization process dealing with the structural topology. The main optimization loop designs the structural variables, i.e., it is decided where there should be solid material and where there should be voids, through a minimum compliance design problem. The actuators are placed by considering a control law optimization that defines where the material should have piezoelectric properties, through the maximization of a measure of controllability. Numerical examples show that the approach used in this paper can produce a clear structural topology with a good actuator placement. Besides, the optimal topologies can improve the active damping.