Cerâmicas piezelétricas possibilitam posicionamento e sensoriamento de precisão ou captação de energia mecânica valendo-se do efeito piezelétrico, capaz de converter energia mecânica em elétrica ou o contrário. Para aprimorar ou estender as aplicações dessas cerâmicas, mecanismos flexíveis podem ser acoplados a elas, formando um Dispositivo Piezelétrico Flextensional (DPF). No projeto desse tipo de estrutura, o conceito de Material com Gradação Funcional (MGF) é interessante, já que esses materiais apresentam variações graduais de suas propriedades efetivas, permitindo a alternância entre um material mais flexível e um mais rígido de acordo com a intensidade de deslocamento desejada em cada região da estrutura. Assim, neste trabalho, implementa-se o Método de Otimização Topológica (MOT) no projeto de estruturas gradadas com o intuito de identificar as vantagens e desvantagens da utilização do conceito de MGF em DPF. Esse método combina algoritmos de otimização e o Métodos dos Elementos Finitos (MEF) para distribuir material dentro de um domínio fixo através de um modelo de material, que no presente caso é o de Material Isotrópico Sólido com Penalização (MISP) adaptado a MGF. Na fabricação desses dispositivos otimizados, utiliza-se a Sinterização por Jato de Plasma (SJP) para a obtenção de tarugos gradados que são submetidos a processos de eletro-erosão e de corte a laser. Por fim, para a verificação dos resultados numéricos, utiliza-se um vibrômetro para aferir os deslocamentos dos protótipos de atuadores fabricados. / Piezoelectric devices enable precision positioning and sensing or mechanical energy harvesting based on the piezoelectric effect. In flextensional piezoelectric devices, flexible coupling structures are attached to ceramics to improve or extend the application possibilities. On the design of this kind of structure, the concept of Functionally Graded Materials (FGM) can be interesting, since it allows gradual variations of its effective properties along some direction by mixing two or more materials. Thus, in order to identify the advantages and disadvantages of using FGM, graded flexible coupling structures that maximize the performance of piezoelectric devices are obtained by implementing the Topology Optimization Method (TOM). This method combines optimization algorithms and the Finite Element Method (FEM) to distribute material inside a fixed domain. In this work, the formulation is based on the Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) material model adapted for the FGM concept, which can represent continuous change in material properties along the domain. Resulting optimal graded topologies of coupling structures are presented and compared with homogeneous structures. Finally, graded devices are manufactured through Spark Plasma Sintering (SPS) technique in order to be characterized, validating numerical results. The numerical results demonstrate the TOM efficacy in designing functionally graded piezoelectric devices and show, by its implementation, significant gains in graded mechanisms performance when compared with analogous homogeneous. Furthermore, the feasibility of proposed manufacturing process is confirmed, allowing the fabrication of prototypes with expected behavior.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-02-20Bitstream added on 2014-06-13T18:55:44Z : No. of bitstreams: 1 furtado_rm_me_ilha.pdf: 1436216 bytes, checksum: 09e5f73855e5a468589756fca572b577 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A proposta deste trabalho é a obtenção de uma metodologia robusta para identificação de falhas estruturais combinando as vantagens de duas metodologias, que não são baseadas em modelos matemáticos, ou seja: impedância elétrica obtida com atuador e sensor piezocerâmico(materiais inteligentes) e redes neurais artificiais. O termo materiais inteligentes (smart materials) conhecido também por material ativo é dado a uma classe de material que exibe propriedades não encontradas em materiais convencionais. Alguns destes materiais são: compostos de materiais piezelétricos, eletrorresistivo e magnetorresistivo, fluidos e sólidos electro-reológicos, e outros. Uma das principais características do PZT (Titanato Zirconato de Chumbo), que permite utilizá-lo como sensor e atuador, é o efeito piezelétrico, ou seja, a aplicação de um campo elétrico resulta em deformação do material (efeito inverso), enquanto, a aplicação de tensão mecânica resulta no surgimento de um campo elétrico (efeito direto). Estas características associadas ao conceito de impedância elétrica e ao conceito de falha métrica permitem a localização e o monitoramento da falha. Esta técnica utiliza altas freqüências e excita os modos locais, proporcionando, assim, o monitoramento de qualquer mudança da impedância mecânica estrutural na região de influência do PZT. Redes neurais artificiais (RNA) fazem parte de um amplo conceito chamado inteligência artificial. Redes neurais têm sua base associada ao funcionamento do cérebro humano, que após treinamento possuem a capacidade de aprender. Esta ciência é objeto de estudo em diversos centros de pesquisa e, embora já tenha grande aplicabilidade, o sucesso de sua utilização depende do caso em que está sendo aplicada e de certa sutileza do projetista, uma vez que o processo ainda é empírico e teorias ainda... . / The proposal of this work is the obtaining of a robust methodology for identification of structural faults combining the advantages of two methodologies, which are not based on mathematical models. The methodology applies electric impedance technique, obtained with actuator and sensor piezoceramic (smart materials), and artificial neural networks. The term smart materials is given for a material class that not exhibits properties found in conventional materials. Some of these materials are: composed of piezoelectric material, electrostrictive and magnetostrictive, electrorheological fluids and solids shape memory alloys, and others. One of the main characteristics of PZT (Lead Zirconate Titanate), that allows to use it as sensor and actuator, is the piezoelectric effect, where the application of an electric field results in deformation of the material (inverse effect), while the application of mechanical tension results in the appearance of an electric field (direct effect). These characteristics associated to the concept of electric impedance and the concept of metric fault allow the location and the monitoring of the fault. This technique uses high frequencies and low voltage and it excites local modes, providing, the monitoring of any change on the structural mechanical impedance in the area of influence of the PZT. Artificial Neural Networks (ANN) are part of a wide concept called artificial intelligence. Neural networks has its base associated to the operation of the human brain, that after training possess the capacity to learn. This science is a study object in several research centers and, although it already has great application. The success of its use depends of the case and planner's certain keenness, once the process is still empiric and theories are still being formulated. Several conceptions of neural networks... (Complete abstract, click electronic address below).

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-09-24Bitstream added on 2014-06-13T20:55:55Z : No. of bitstreams: 1 bueno_dd_me_ilha.pdf: 2346457 bytes, checksum: 53a7ababeeced81edd91bb8ef04b1c0f (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Este trabalho apresenta o projeto do regulador linear quadrático (LQR – do inglês Linear Quadratic Regulator) para atenuar vibrações em estruturas mecânicas. Estas estruturas, com atuadores e sensores acoplados, são denominadas estruturas inteligentes. Os projetos de controladores ativos são resolvidos utilizando desigualdades matriciais lineares (LMIs – do inglês Linear Matrix Inequalities). Assim, é possível projetar controladores robustos considerando incertezas paramétricas na planta a ser controlada. São utilizados atuadores e sensores piezelétricos (PZTs) para aplicações em estruturas flexíveis dos tipos vigas e placas e, também, atuadores de pilha para aplicações em estruturas do tipo treliça. O problema do posicionamento ótimo dos atuadores e sensores piezelétricos também é resolvido utilizando as normas de sistemas H2, H , Hankel e as matrizes grammianas de observabilidade e controlabilidade. O modelo matemático da estrutura inteligente é obtido a partir do Método dos Elementos Finitos e, também, utilizando o Método de Identificação de Subespaços através de dados experimentais. O problema de posicionamento ótimo dos atuadores e sensores e o controle ativo de vibração são apresentados em simulações numéricas e experimentais. Os resultados mostram que os controladores robustos aumentam o amortecimento estrutural minimizando as amplitudes de vibração. / This work presents the Linear Quadratic Regulator design to vibration attenuation in mechanical structures. These structures are named Smart Structures because they use actuators and sensors electromechanically coupled. Active controller designs are solved using Linear Matrix Inequalities. So, it is possible to consider polytopic uncertainties. Piezoelectric actuators and sensors are used for applications in flexible structures as beams and plates and, also, stack actuators for applications in truss structures. Optimal placement problem of piezoelectric actuators and sensors also solved using H2, H , Hankel system norms and controllability and observability grammian matrices. The mathematical model of the smart structure is obtained through Finite Element Method and, also, through Numerical State Space of Subspace System Identification (Subspace Method) by experimental data. The optimal placement of actuator and sensor and the active vibration control is numerically and experimentally implemented. Results show that the robust controllers increase the structural damping minimizing magnitude of vibrations.

Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho null (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-21T20:22:26Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho null (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-22T14:06:59Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho null (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-22T18:09:14Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho null (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-22T18:12:24Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho null (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-22T19:44:22Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho null (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-23T11:57:14Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-23T12:57:55Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-23T13:16:31Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-23T13:34:44Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-23T17:24:55Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-23T17:29:01Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-24T12:05:23Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-24T12:39:44Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-24T16:47:39Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-24T17:31:21Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-27T11:40:49Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Approved for entry into archive by Minervina Teixeira Lopes null (vina_lopes@bauru.unesp.br) on 2017-11-27T11:49:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silvafilho_ne_me_bauru.pdf: 7341586 bytes, checksum: 69bdcc2dde57f38f92436f203095b2a2 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-27T11:49:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 silvafilho_ne_me_bauru.pdf: 7341586 bytes, checksum: 69bdcc2dde57f38f92436f203095b2a2 (MD5) Previous issue date: 2017-09-29 / O Motor de Indução Trifásico (MIT) é o mais utilizado em aplicações industriais e acionamentos eletromecânicos diversos, por ser um motor de construção robusta, ter baixo custo de fabricação e bom rendimento elétrico. Nesse cenário, destaca-se a importância de um correto diagnóstico de falhas de uma forma incipiente, evitando perdas nos processos produtivos e danos severos nessas máquinas. A estratégia da manutenção corretiva impõe, nos processos produtivos, paradas inesperadas da linha de produção podendo causar grandes prejuízos financeiros. Nesse contexto, a manutenção preditiva, auxiliada por sistemas de monitoramento constante, vem de encontro as necessidades dos processos industriais pois, além de prever paradas inesperadas, permite um planejamento da produção mais seguro, no que tange a continuidade do processo e administração da equipe de manutenção especializada. Entretanto, requer monitoramento constante com uma análise dos dados e conhecimento prévio do sistema para a avaliação dos parâmetros e das variáveis envolvidas. Esse trabalho de pesquisa propôs o desenvolvimento de uma abordagem para diagnosticar defeitos em MIT, por meio de diafragmas piezelétricos de baixo custo e sistemas inteligentes do tipo Redes Neurais Artificiais (RNA). Mais especificamente, defeitos elétricos do tipo curto-circuito entre espiras de uma mesma bobina nos estatores dessas máquinas. Para tal, foi implementada uma bancada experimental em ambiente de laboratório, onde foram realizados ensaios com simulações de falhas relacionadas a curto-circuito entre espiras das bobinas do enrolamento do estator, visando a obtenção de dados de corrente elétrica e vibração do MIT, para o treinamento das arquiteturas de RNA. Em seguida essas redes foram treinadas e validadas, e a análise dos resultados obtidos foi realizada através de critérios estatísticos como taxa de acerto percentual, erro relativo percentual, desvio padrão e coeficiente de correlação entre os dados. Os resultados indicam que a abordagem proposta mostrou-se precisa e robusta, sinalizando a factibilidade do uso da técnica em motores de maior potência e tensão elétrica de operação, que possuem valores de custo para aquisição relativamente altos. / The three-phase induction motor (MIT) is the most widely used in industrial applications and various electromechanical drives, as it is a robust construction engine, low manufacturing cost and good electrical performance. In this scenario, the importance of a correct fault diagnosis in an incipient way is highlighted, avoiding losses in the productive processes and severe damages in these machines. The strategy of corrective maintenance imposes, in the productive processes, unexpected stops of the production line and can cause great financial losses. In this context, the predictive maintenance, aided by constant monitoring systems, meets the needs of industrial processes because, in addition to anticipating unexpected stops, it allows a safer production planning regarding the continuity of the process and administration of the maintenance team specialized. However, it requires constant monitoring with an analysis of the data and prior knowledge of the system for the evaluation of the parameters and variables involved. This research project proposed the development of an approach to diagnose defects in MIT, through low cost piezoelectric diaphragms and intelligent artificial neural networks (ANNs). More specifically, short-circuit electrical defects between turns of the same coil in the stators of these machines. For this, an experimental bench was implemented in a laboratory environment, where tests were performed with fault simulations related to short circuits between turns of the coils of the stator winding, aiming to obtain data of electrical current and vibration of the MIT for the training of ANN architectures. Afterwards, these networks were trained and validated, and the analysis of the results obtained was performed through statistical criteria such as percentage success rate, relative percentage error, standard deviation and correlation coefficient between the data. The results indicated that the proposed approach proved to be accurate and robust, signaling the feasibility of using the technique in engines with higher power and operating voltage, which have relatively high acquisition cost values.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / This work focuses on the finite element modeling procedure and the robust-optimal design of composite structures containing piezoelectric elements to be coupled with the so-named shunt circuits with the aim of passive vibration attenuation. The work is organized into two main parts as follows: the first is devoted to the use of the first order shear deformation theory (FSDT) in conjunction with the single equivalent layer theory for the modeling of the mechanical problem composed by a thin rectangular composite plate structure. At this step, the mixed theory, in which the single layer equivalent theory is combined with the discrete theory to model electromechanical system (composite structure with piezoelectric elements), is also employed. Emphasis is also placed on the parameterization strategy of the design variables such as the layer s thicknesses, the directions of the fibers and the parameters of the shunt circuits. It must be emphasized that the finite element models were developed and implemented in MATLAB® environment; the second part of the work is dedicated to the quantification of the parametric uncertainties related to the resistance and inductance of the resonant shunt circuit and the thickness of the piezoelectric element. In order to create the probabilistic models the Maximum Entropy Method (MME) is retained and the resulting stochastic model is solved by using the so-called Monte Carlo method. The interest is to generate the limits of dispersion and the number of random simulations required to be used in the robust multi-objective optimization process of the shunt circuits by taking into account during the simulations the vulnerability functions to be optimized at the same time as the original objective functions. / Este trabalho enfoca os procedimentos de modelagem por elementos finitos e o projeto ótimo-robusto de estruturas compostas contendo elementos piezelétricos acoplados a circuitos elétricos shunt para fins de controle passivo de vibrações. O estudo será dividido em duas partes, a saber: a primeira é dedicada ao emprego da teoria cisalhante de primeira ordem (First-order Shear Deformation Theory FSDT) em conjunto com a teoria da camada equivalente única para a modelagem do problema mecânico formado por uma placa composta plana. Nesta fase, também será utilizada a teoria mista que combina as teorias da camada equivalente única com a discreta para a modelagem do sistema acoplado eletromecânico (estrutura composta com pastilhas piezelétricas). Ênfase é dada à parametrização das variáveis mais influentes que são as espessuras das camadas, as direções das fibras e os parâmetros do circuito shunt. Todos os modelos foram desenvolvidos e implementados em ambiente MATLAB® de programação. Na segunda parte, será apresentado um estudo sobre a quantificação das incertezas nos parâmetros de resistência e indutância do circuito shunt ressonante e na espessura do elemento piezelétrico. Para a geração dos modelos probabilísticos, será empregado o Método da Máxima Entropia (MME) e para a resolução do problema estocástico será utilizado o método de Monte Carlo. Serão estabelecidos os limites de dispersão e o número de tiragens aleatórias a serem utilizados na otimização multiobjetivo robusta dos circuitos shunt via emprego de funções de vulnerabilidade a serem otimizadas ao mesmo tempo em que as funções objetivo originais. / Mestre em Engenharia Mecânica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work deals with active vibration control of flexible rotors. Vibratory control behavior of a horizontal rotor containing two disks and suported by bearings on its extremities was studies numericaly and experimentaly. Numerical simulations was perfomaded using Finite Element Method (FEM). The target control was to atenuate the vibration of first 4 bending modes by using of a Linear Quadratic Regualdor. A modal method was required to reduce the model size and make the model controllable. A state observer estimated the modal state coordenates necessary to model method. The control forces were applied over the structure by piezeletric stack actuators. These actuators were orthogonally arranged in control plane locatted in one of bearings bearings of the rotor. The experimental identification of stiffness of active bearings compoments and MEF model ajust was carrifully conducted. The sucsses of metholody was intrically related to this work part, that has allowed the accured calculation of the contol force. Experiments were carried out in a rotor test rig. Optimal modal Controller performance has been tested to various operation conditions and differents excitation forces, like rotor at rest, steady state rotation and transiente rotation. Numerical and experimental results attest the sucsses of control strategy and shows the potentiality of stack piezelectric actuators in the active vibration control to rotordynamics field. / Este trabalho trata do controle ativo de vibração de rotores flexíveis. Um rotor horizontal de dois discos apoiado em dois mancais em suas extremidades foi estudo no que tange o aspecto de controle, tanto no âmbito numérico como experimental. As simulações numéricas foram feitas empregando-se o Método dos Elementos Finitos (MEF). Um controlador ótimo do tipo Regulador Quadrático Linear foi utilizado para atenuar as vibrações dos 4 primeiros modos de flexão do rotor. Empregou-se um método modal para reduzir o tamanho modelo e torná-lo então controlável. O uso de tal método gerou a necessidade de se estimar os estados modais através de um observador de estados. O tipo de atuador escolhido para aplicar a força de controle sobre a estrutura foi um atuador piezelétrico do tipo pilha (piezeletric stack actuator). Os atuadores foram dispostos ortogonalmente num plano de controle localizado num dos mancais do rotor. A determinação experimental da rigidez dos elementos que componham o mancal ativo, onde se localizava os atuadores, e o ajuste destes valores no MEF foi etapa conduzida cuidadosa. O sucesso da metodologia de controle se atribui em grande parte a esta etapa que permitiu um cálculo preciso da força de controle. As simulações foram feitas numa bancada experimental devidamente instrumentada para os testes. A performance do controlador modal ótimo foi testada para diversas condições de funcionamento do rotor em questão e diferentes fontes excitação. A saber: Rotor em repouso, rotor em regime de rotação permanente, rotor em regime de rotação transiente. Os resultados obtidos, tanto numéricos como experimentais, mostram o sucesso da metodologia empregada e as potencialidades do uso do tipo de atuador aqui empregado para o campo do controle ativo de vibração de rotores. / Doutor em Engenharia Mecânica

As bombas de fluxo, além das aplicações clássicas em Engenharia, são instrumentos importantes em áreas como a biologia, farmácia e medicina. Um novo princípio para o bombeamento de fluidos está sendo estudado dentro do Departamento deEngenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O presente projeto trata deste princípio: a utilização de um atuador piezelétrico bilaminar inserido num meio fluido para geração de vazão. O objetivo deste projeto é verificar a viabilidade desta bomba piezelétrica através de simulações computacionais, estudando a sensibilidade do sistema a diversos parâmetros e realizando a otimização do mesmo de forma a maximizar seudesempenho. O software ANSYS é utilizado para a simulação computacional do problema de dinâmica de fluidos e para modelar o atuador piezelétrico bilaminar, e o software Altair Hyperstudy na etapa de otimização. O texto apresenta as metodologias empregadas e discute os resultados obtidos, de forma a analisar os fenômenos físicos em questão e validar este novo princípio proposto. / Flow pumps, besides their classical applications in Engineering, are important devices in areas such as Biology, Pharmacy and Medicine. A novel principle for fluid pumping has been studied at the Department of Mechatronic Engineering and Mechanical Systems of the Engineering School of the University of Sao Paulo. The current project deals with this principle: the use of a bimorph piezoelectric actuator in a fluid environment for flow generation. The objective of this project is to verify the viability of this pump through computational simulations, by performing a sensitivity analysis for various parameters and an optimization to maximize its performance. The ANSYS software is used for the computational fluid dynamics simulations and for modeling the bimorph piezoelectric actuator, and the Altair Hyperstudy software for the optimization. The text presents the employed methodologies and discusses the obtained data in order to analyze the physical phenomena involved and to validate this novel principle.

Materiais piezocompósitos laminados são compostos por camadas de material piezelétrico, metálico e compósito (matriz epóxi com fibras de carbono ou de vidro), que possibilitam obter vantagens em relação aos materiais piezelétricos convencionais, permitindo obter características superiores que não podem ser conseguidas pelos seus componentes de forma isolada como, por exemplo, maior flexibilidade e resistência mecânica ou menor peso. Sob esse enfoque, este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de Estruturas Piezocompósitas Laminadas (EPLA) que consistem basicamente em estruturas multicamadas, através do projeto da sua resposta transiente e harmônica visando aplicações dinâmicas. Entre as potenciais aplicações dessas estruturas, tem-se atuadores, motores, sonares e dispositivos de coleta de energia (\"energy harvester\"), sendo de muito interesse a melhora das suas características dinâmicas e o seu desempenho. O projeto dinâmico de uma EPLA é complexo, porém pode ser sistematizado utilizando o Método de Otimização Topológica (MOT). O MOT é um método baseado na distribuição de material num domínio de projeto fixo com o objetivo de extremizar uma função de custo sujeita às restrições inerentes do problema, combinando algoritmos de otimização e de elementos finitos. A formulação de MOT para o projeto dinâmico de EPLA pretende determinar tanto a topologia ótima dos materiais nas diferentes camadas quanto o sinal de polarização do material piezelétrico e o ângulo da fibra na camada compósita, tendo como finalidade a maximização da amplitude de vibração em pontos determinados (em atuadores) ou da geração de energia elétrica a partir de excitações mecânicas (em coletores de energia). Além disso, é formulado um problema combinando os enfoques harmônico e transiente com o intuito de customizar a resposta da EPLA, de modo que, o nível da resposta seja o mesmo perante diferentes tipos de onda de excitação (transdutores multi-entrada). O trabalho inclui as etapas de projeto, simulação, fabricação e caracterização de protótipos. / Laminated piezocomposite materials are composed by layers of piezoelectric, metal and composite material (epoxy matrix with carbon or glass fiber), which have advantages over conventional piezoelectric materials, because of their superior characteristics, which cannot be achieved by any of its components isolated, for example, more flexibility and strength and less weight. Under this approach, this work aims at the development of Laminated Piezocomposite Structures (LAPS) what primarily consist of multi-layer structures, through the transient and harmonic response design aiming at dynamic applications. Among the potential applications of these structures it can be cited actuators, motors, sonar devices and energy harvester, being of great interest the improvement of its dynamic characteristics and performance. The dynamic design of a LAPS is complex however it can be systematized by using the Topology Optimization Method (TOM). The TOM is a method based on the distribution of material in a fixed design domain with the aim of extremizing a cost function subject to constraints inherent to the problem by means of combining the optimization algorithms and the finite element method (FEM). The TOM formulation for the LAPS dynamic project aims to determine together the optimal topology of the materials for different layers, the polarization sign of the piezoelectric material and the fiber angle of the composite layer, in order to maximize the vibration amplitude at certain points (in actuators), or the generation of electrical energy from mechanical excitations (in energy harvesters). In addition, a TOM problem combining harmonic and transient approaches is formulated with the purpose of customizing EPLA response so that the response level is the same for different excitation waveforms (multi-entry transducers). The work includes design, simulation, manufacturing and characterization of prototypes.

Transdutores baseados em cascas piezocompósitas têm uma vasta aplicação no campo de estruturas inteligentes, principalmente como atuadores, sensores e coletores de energia. Essas estruturas piezocompósitas são geralmente compostas por dois ou mais tipos de materiais, como por exemplo materiais piezelétricos, ortotrópicos elásticos (possuem fibras de reforçamento) e isotrópicos (materiais homogêneos). Vários fatores devem ser considerados no projeto de transdutores baseados em cascas piezocompósitas, como o tamanho, a forma, a localização e a polarização do material piezelétrico, bem como a orientação das fibras do material ortotrópico. O projeto desses transdutores é complexo e trabalhos anteriores envolvendo esses tipos de materiais sugerem utilizar Método de Otimização Topológica (MOT) para aprimorar o desempenho dos transdutores distribuindo o material piezelétrico sobre substratos fixos de materiais isotrópicos e ortotrópicos, ou otimizar a orientação das fibras dos materiais ortotrópicos com material piezelétrico com tamanho, forma e localização previamente estabelecidos. Assim, nesta tese, propõe-se o desenvolvimento de uma metodologia baseada no MOT para projetar transdutores piezocompósitos de casca considerando, simultaneamente, a otimização da distribuição e do sentido de polarização do material piezelétrico, e também a otimização da orientação das fibras de materiais ortotrópicos, que é livre para assumir valores diferentes ao longo da mesma camada compósita. Utilizando essa metodologia, são obtidos resultados numéricos para atuadores e sensores em regime estático e para coletores de energia com circuito elétrico acoplado, em regime dinâmico amortecido. Para os casos dos sensores e dos coletores de energia, também são consideradas as tensões mecânicas na estrutura, as quais devem obedecer os critérios de von Mises (para materiais isotrópicos) e de Tsai-Wu (para materiais ortotrópicos) para que não haja falhas na estrutura, que está sujeita a esforços mecânicos. / Transducers based on laminated piezocomposite shell structures have a wide application in the field of smart structures, especially as actuators, sensors and energy harvesting devices. These piezocomposite structures are generally composed by two or more kinds of materials, such as piezoelectric, isotropic, and elastic orthotropic (fiber reinforcement) materials. Several factors must be considered in the design of piezocomposite transducers, such as size, shape, location and polarization of the piezoelectric material and the fiber orientation of the orthotropic material. The design of these transducers is complex and previous studies involving these types of materials suggest using \"Topology Optimization Method\" (TOM) to enhance the performance of piezoelectric transducers by distributing piezoelectric material over fixed isotropic and orthotropic substrate or to optimize the fiber orientation of orthotropic materials with piezoelectric patches previously established. Thus, this thesis proposes the development of a methodology based on the TOM to design laminated piezocomposite shell transducers by considering simultaneously the optimization of distribution and the polarization direction of the piezoelectric material, and also the optimization of the fiber orientation orthotropic material, which is free to assume different values along the same composite layer. By using this methodology, numerical results are obtained for actuators and sensors under static response, and energy harvesting devices with an electrical circuit coupled, in dynamic damped analysis. In the case of sensors and energy harvesting devices, which are subjected to mechanical loads, the mechanical stresses in the structure are also considered, which must satisfy two stress criteria to prevent failure: von Mises for isotropic materials and Tsai-Wu for orthotropic materials.

Cerâmicas piezelétricas possibilitam posicionamento e sensoriamento de precisão ou captação de energia mecânica valendo-se do efeito piezelétrico, capaz de converter energia mecânica em elétrica ou o contrário. Para aprimorar ou estender as aplicações dessas cerâmicas, mecanismos flexíveis podem ser acoplados a elas, formando um Dispositivo Piezelétrico Flextensional (DPF). No projeto desse tipo de estrutura, o conceito de Material com Gradação Funcional (MGF) é interessante, já que esses materiais apresentam variações graduais de suas propriedades efetivas, permitindo a alternância entre um material mais flexível e um mais rígido de acordo com a intensidade de deslocamento desejada em cada região da estrutura. Assim, neste trabalho, implementa-se o Método de Otimização Topológica (MOT) no projeto de estruturas gradadas com o intuito de identificar as vantagens e desvantagens da utilização do conceito de MGF em DPF. Esse método combina algoritmos de otimização e o Métodos dos Elementos Finitos (MEF) para distribuir material dentro de um domínio fixo através de um modelo de material, que no presente caso é o de Material Isotrópico Sólido com Penalização (MISP) adaptado a MGF. Na fabricação desses dispositivos otimizados, utiliza-se a Sinterização por Jato de Plasma (SJP) para a obtenção de tarugos gradados que são submetidos a processos de eletro-erosão e de corte a laser. Por fim, para a verificação dos resultados numéricos, utiliza-se um vibrômetro para aferir os deslocamentos dos protótipos de atuadores fabricados. / Piezoelectric devices enable precision positioning and sensing or mechanical energy harvesting based on the piezoelectric effect. In flextensional piezoelectric devices, flexible coupling structures are attached to ceramics to improve or extend the application possibilities. On the design of this kind of structure, the concept of Functionally Graded Materials (FGM) can be interesting, since it allows gradual variations of its effective properties along some direction by mixing two or more materials. Thus, in order to identify the advantages and disadvantages of using FGM, graded flexible coupling structures that maximize the performance of piezoelectric devices are obtained by implementing the Topology Optimization Method (TOM). This method combines optimization algorithms and the Finite Element Method (FEM) to distribute material inside a fixed domain. In this work, the formulation is based on the Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) material model adapted for the FGM concept, which can represent continuous change in material properties along the domain. Resulting optimal graded topologies of coupling structures are presented and compared with homogeneous structures. Finally, graded devices are manufactured through Spark Plasma Sintering (SPS) technique in order to be characterized, validating numerical results. The numerical results demonstrate the TOM efficacy in designing functionally graded piezoelectric devices and show, by its implementation, significant gains in graded mechanisms performance when compared with analogous homogeneous. Furthermore, the feasibility of proposed manufacturing process is confirmed, allowing the fabrication of prototypes with expected behavior.