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.

O uso de biomateriais para acelerar reparos de fraturas ósseas tem aumentado nos últimos anos. Neste estudo, as propriedades piezelétricas do fluoreto de polivinilideno foram utilizadas com a finalidade de mimetizar os potenciais bioelétricos associados à deformação óssea, que são diminuídos quando ocorre fratura óssea. Estudos histomorfométricos foram efetuados para verificar a influência do polímero. Testes de biocompatibilidade e de esterilização permitiram avaliar os riscos da utilização do polímero como material de implante. O polímero piezelétrico associado à placa de osteossíntese resultou em uma maior quantidade de matriz óssea mineralizada na lesão quando comparado ao implante da placa sem o polímero. / The use of biomaterials to promote accelerated bone fracture repair has been improved in the recent years. In the present study, the piezoelectric properties of poly(vinylidene fluoride) were used with the aim of mimetizing bioelectrical potentials associated to bone strain which decrease when a bone fracture occurs. Histomorphometric studies were accomplished to verify the influence of the polymer. Biocompatibility and sterilization tests assessed any risk related to the use of a polymer as an implantable material. The piezoelectric polymer associated to an osteosynthesis plate resulted in a larger amount of mineralized bone matrix in the lesion when compared to a plate implanted without the polymer.

A redução do consumo de energia dos sistemas eletrônicos, fez com que a pesquisa de novas fontes de energia para alimentar estes dispositivos tivesse enorme importância na última década. Algumas destas fontes são provenientes da conversão de energia de vibrações mecânicas em energia elétrica. Veículos aéreos não tripulados (UAVs) e micro veículos aéreos (MAVs) constituem uma aplicação importante para utilização de geradores de energia baseados em vibrações. Este trabalho tem seu foco na conversão de oscilações aeroelásticas em eletricidade utilizando o efeito piezelétrico direto. Um modelo numérico piezoaeroelasticamente acoplado, proveniente da associação de um modelo por elementos finitos eletromecânico e um modelo aerodinâmico não estacionário é apresentado. Uma asa geradora de energia composta por uma subestrutura metálica e piezocerâmicas embutidas é modelada. Apresentam-se como resultados, saídas elétricas (tensão, corrente e potência elétrica) e mecânicas no domínio do tempo. Uma carga resistiva é assumida no domínio elétrico do problema. Uma rajada discreta do tipo \'1-cos\' é assumida para várias velocidades do escoamento e valores de resistências elétricas, utilizando eletrodos contínuos e segmentados. Aponta que os melhores resultados foram obtidos com a utilização de eletrodos segmentados e que em razão do melhor acoplamento eletromecânico, obtêm-se um maior efeito shunt damping, um aumento na velocidade de flutter (1 m/s neste trabalho) e uma maior geração de potência. / Reducing the power consumption of electronic systems, has led the research for new sources of energy to power these devices have great importance in the last decade. Some of these sources are from the conversion of energy from mechanical vibrations into electrical energy. Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and Micro Air Vehicles (MAVs) are an important application for use of vibration energy harvesting. This work focuses on conversion of aeroelastic oscillations into electricity using piezoelectric direct effect. A numerical model coupled piezoaeroelastically derived from the combination of an electro-mechanical finite element model and an unsteady aerodynamic model is presented. A power generator wing consists of a metal substructure and embedded piezoceramic is modeled. They appear as results, electrical outputs (voltage, current and electric power) and mechanical time domain. A resistive load is assumed in the electric domain of the problem. A discrete gust of shape \'1-cos\' is taken for various flow velocities and values of electrical resistances, using continuous and segmented electrodes. Indicates that the best results were obtained with the use of segmented electrodes and because of better electromechanical coupling, we obtain a higher shunt damping effect, an increase flutter speed (1 m/s in this work) and greater power generation.

Os termo eletretos piezelétricos de teflon FEP apresentam-se como elementos que podem competir em preço e funcionalidade com os transdutores atuais. Quando carregados impulsivamente, as folhas de teflon FEP retêm cargas elétricas superficiais por um período longo, superior a 500 anos. Excitados mecanicamente, resultam em um alto nível de sinal elétrico e, excitados eletricamente, retornam a energia em deformação mecânica. O processo de fabricação projetado envolve a produção de um transdutor piezelétrico com uma densidade superficial de carga uniforme, através da formação de vacúolos gasosos formados sobre a superfície do filme polimérico. Os altos índices piezelétricos dos transdutores fabricados são confirmados por um sistema de medição estático, também projetado e desenvolvido neste trabalho, onde o coeficiente piezelétrico é medido de maneira direta. / The thermo-formed electrets of teflon FEP films are shown as elements that can be competitive either in price and functionality matters, as per the transducers being used nowadays. Once charged by an impulse voltage, the teflon FEP sheets keep the superficial electric charges for long periods, up to 500 years. Mechanically excited, they result in a high electric signal and, once electrically excited, return in a mechanical deformation. The projected manufactory process includes the production of a piezoelectric transducers with uniformly charged superficial density, though the formation of gaseous vacuoles over the polymeric film surface. The high piezoelectric levels of the manufactured transducers are confirmed by a static measurement system, also projected and developed in this same work, where the piezoelectric coefficient is measured by a direct way.

Os termo eletretos piezelétricos de teflon FEP apresentam-se como elementos que podem competir em preço e funcionalidade com os transdutores atuais. Quando carregados impulsivamente, as folhas de teflon FEP retêm cargas elétricas superficiais por um período longo, superior a 500 anos. Excitados mecanicamente, resultam em um alto nível de sinal elétrico e, excitados eletricamente, retornam a energia em deformação mecânica. O processo de fabricação projetado envolve a produção de um transdutor piezelétrico com uma densidade superficial de carga uniforme, através da formação de vacúolos gasosos formados sobre a superfície do filme polimérico. Os altos índices piezelétricos dos transdutores fabricados são confirmados por um sistema de medição estático, também projetado e desenvolvido neste trabalho, onde o coeficiente piezelétrico é medido de maneira direta. / The thermo-formed electrets of teflon FEP films are shown as elements that can be competitive either in price and functionality matters, as per the transducers being used nowadays. Once charged by an impulse voltage, the teflon FEP sheets keep the superficial electric charges for long periods, up to 500 years. Mechanically excited, they result in a high electric signal and, once electrically excited, return in a mechanical deformation. The projected manufactory process includes the production of a piezoelectric transducers with uniformly charged superficial density, though the formation of gaseous vacuoles over the polymeric film surface. The high piezoelectric levels of the manufactured transducers are confirmed by a static measurement system, also projected and developed in this same work, where the piezoelectric coefficient is measured by a direct way.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the study on a linear ultrasonic motor with tubular geometry for linear displacements. Similar topologies, reported elsewhere, are conceived for producing rotary motions. Due to some particular characteristics of this geometry, not explored yet, a new study on interaction between resonance modes in a hollow cylinder for linear movement generation is proposed. In order to experimentally investigate the resonance modes in tubular stators, a proof of concept prototype was built and tested. The prototype consisted of a internally toothed phosphore bronze tube, excited by two PZT rings. Several types of mobile axes, with one or more solid cylinders of aluminum or stainless steel, were employed. The methodology of test consisted of changing geometric parameters, properties of materials, sweeping driving conditions, and observing the respective movement on the shaft. Tests showed the production of linear and/or angular movements, with maximum speeds of 0,07m/s, but with little uniformity and repeatability. The lack of conclusive hypothesis on the stability issue, based only on experimental set of results, has led to a reassessment of the methodology of investigation, including additional analysis tools for the characterization of the device. So, a simple analytical modeling of the stator was formulated to set up a project methodology. Despite its simplicity and limitations, the analytical model allows a first order approximation for resonance modes, and relates them to the constructive parameters of the stator. In order to take the influence of the factors neglected in the analytical modeling into account, the analysis was complemented with finite element method (FEM) simulations. The deformation profiles of the stator to the 21st resonance mode were analyzed using FEM. With the results, it is possible to predict the behavior of the resonance frequencies, and the corresponding deformations they produce on the teeth, for each stator configuration. The most important result of this analysis is to show the relationship between aspect ratio of ellipsoidal trajectory on the stator teeth and the geometry of the stator. This allows a conclusive diagnosis on the inefficiency of the built prototype: The small amplitude of the longitudinal component of traveling deformation wave. An analysis of simulations results has lead to a design methodology for this new type of motor. The results showed that if the stator is redesigned according to the proposed methodology, it would be able to produce longitudinal deformations of 2.6 μm, with ceramics driven at 35.3 V. If Compared to simulations of the prototyped stator the new project exhibits an increase of 90% for radial deformation components of, and 3600% for the longitudinal components, indicating that if the new design was implemented, it could achieve much higher efficiency in movement production. / Este trabalho apresenta o estudo de um motor ultra-sônico com geometria tubular para movimentos lineares. Outros motores com geometria tubular, encontrados na bibliografia, são concebidos para a produção de movimentos rotativos. Devido a diversas características ainda não exploradas desta geometria, um novo estudo sobre a interação dos modos naturais de vibração de um cilindro vazado para a geração de movimento linear é proposto. Com o objetivo de investigar experimentalmente os modos de ressonância em estatores tubulares, um protótipo para prova de conceito foi construído e ensaiado. O protótipo consiste de um tubo vazado, dentado internamente, excitado por dois anéis de PZT. Foram utilizados diversos tipos de eixos móveis, com um ou mais cilindros maciços de alumínio ou aço inoxidável. A metodologia de ensaio consistiu da variação dos parâmetros geométricos, propriedades de materiais e condições de acionamento, e da respectiva observação e medição dos movimentos do eixo. Os testes evidenciam a produção de movimentos lineares e/ou angulares com velocidades máximas de aproximadamente 0,07m/s, mas com pouca uniformidade e repetibilidade. A impossibilidade de uma análise conclusiva sobre a instabilidade do motor com base apenas nos resultados experimentais de bancada motivou uma reavaliação da metodologia de estudo e a busca de ferramentas adicionais para a caracterização do dispositivo. Uma modelagem analítica do estator foi formulada para que um roteiro de análise e cálculos dimensionais pudessem ser estabelecidos. Embora simples e com diversas limitações, o modelo obtido permite aproximações de primeira ordem para os modos de ressonância em função dos parâmetros construtivos do estator. Para que a influência das não-linearidades não incluídas na modelagem possa ser avaliada, a análise foi complementada com simulações pelo método dos elementos finitos (FEM). Os perfis das deformações do estator até o 21o modo de ressonância foram analisados utilizando FEM. Com os resultados obtidos, é possível prever o comportamento das freqüências naturais e das deformações nos dentes em função das características do estator. O resultado mais importante desta análise é mostrar a relação de aspecto da trajetória elipsoidal dos dentes do estator, com a geometria do estator, permitindo um diagnóstico conclusivo sobre a ineficiência do protótipo construído: A baixa amplitude da componente de deformação longitudinal da onda viajante no tubo. O estudo dos resultados das simulações permitiu o estabelecimento de um roteiro de análise e cálculos dimensionais para este novo tipo de motor. Simulações realizadas mostraram que um estator projetado com o roteiro proposto, é capaz de produzir deformações longitudinais de 2,6μm e radiais de 3,8μm, quando as cerâmicas piezelétricas são acionadas a 35,3 V. Comparando-se os resultados das simulações do estator prototipado com o novo projeto, observa-se um acréscimo teórico de 90% nas componentes de deformação radial e 3600% nas componentes longitudinais, indicando que um novo protótipo construído de acordo com o projeto pode atingir uma eficiência muito superior na produção de movimento.