Orientador: Cláudio Kitano / Banca: Mauro Henrique de Paula / Banca: Aparecido Augusto de Carvalho / Resumo: A interferometria a laser é uma técnica consolidada para a caracterização de atuadores piezoelétricos. No entanto, este método requer um alinhamento óptico preciso e uma operação meticulosa. Há um grande interesse no desenvolvimento de sistemas de medição de deslocamento e vibração usando sensores reflexivos em fibra óptica devido a sua inerente simplicidade, tamanho reduzido, largura de banda ampla, limite de detecção extremamente baixo e capacidade de realizar medições sem contato ou afetar o sistema a ser ensaiado. Neste trabalho apresenta-se um arranjo simples do sensor reflexivo para se atingir resolução sub-micrométrica, utilizando-se fibras e componentes ópticos de baixo custo e circuitos eletrônicos simples. O sistema é constituído por duas fibras ópticas adjacentes (uma transmissora e outra receptora) e com extremidades emparelhadas, posicionadas na frente de uma superfície reflexiva vibratória. A luz proveniente de uma fonte óptica (no caso um laser) é acoplada à fibra transmissora e parte dos raios refletidos pela superfície móvel é capturada pela fibra receptora, que conduz a luz para um fotodetector. A tensão de saída do fotodetector é função da distância entre as extremidades das fibras e a superfície reflexiva. Apresenta-se uma formulação teórica da função de intensidade óptica refletida no plano a uma distância qualquer, juntamente com comparações entre características experimentais e teóricas do sensor reflexivo. Finalmente, atuadores piezoelétricos flextensionais, projetados com o método de otimização topológica, são caracterizados experimentalmente através da medição de seus deslocamentos sub-micrométricos, utilizando o sensor reflexivo. As respostas em freqüência dos piezoatuadores flextensionais são levantadas e o fenômeno de erro de trajetória e linearidade são discutidos. / Abstract: The laser interferometer method is a well-established technique for the characterization of piezoelectric actuators. However, this method requires precise optical alignment and meticulous operation. There is great interest in developing displacement and vibration measurement systems using reflective fiber optic displacement sensors (RFODS) because of their inherent simplicity, small size, wide frequency range, extremely low displacement detection limit, and ability to perform measurements without contact or affecting the vibrating system. This work presents a simple arrangement of RFODS to achieve sub-micrometer resolution, using low-cost fibers and optical components, and simple electronic circuits. The system is composed of two adjacent transmitting and receiving fibers at one end, located in front of a reflecting vibrating surface. The transmitting fiber is connected to a laser source, and part of the reflected rays by the moving surface is captured by the receiving fiber, which is connected to a light detector. The output voltage is a function of the distance between probe and vibrating surface. A theoretical formulation of the reflected light intensity function at distal end plane is presented, together with comparisons of experimental and ideal RFODS characteristics. Finally, piezoelectric flextensional actuators (PFAs), designed with the topology optimization method, are experimentally characterized by the measurement of their sub micrometric displacements using a RFODS. The frequency responses of the PFAs are evaluated, and the tracking error phenomenon and linearity are discussed. / Mestre

Mecanismo Flexível é um dispositivo mecânico utilizado para transformar movimento, força ou energia entre as portas de entrada e saída sem a presença de juntas, pinos baseados em uma estrutura em monolítica, em outras palavras, a transformação do movimento é dada pela flexibilidade de sua estrutura. Deste modo a transformação pode ser direcionada em uma direção em específico, amplificando ou reduzindo o deslocamento ou força aplicados. Por este motivo mecanismos flexíveis tem grandes aplicações em micromanipulação e nano posicionamento. A concepção deste tipo de mecanismo é complexa e uma das possibilidades de elaboração deste dispositivo mecânico é através da distribuição de flexibilidade ou rigidez dentro do domínio de projeto utilizando o Método de Otimização Topológica (MOT), que essencialmente combina algoritmos de otimização numéricos como Método de Elementos Finitos (MEF), por exemplo. A grande maioria das classes de mecanismos flexíveis existentes trabalha sob pequenos deslocamentos, na ordem de micro ou nano metros, no entanto, existe uma classe de mecanismos que utiliza o recurso da flambagem não linear para operar com grandes deslocamentos. O procedimento de concepção desta de classe de mecanismo é complexa e ainda se encontra em estagio inicial, necessitando de aprimoramentos que permitam o seu projeto completo via métodos computacionais. Portanto, esta tese foi desenvolvida como objetivo desenvolver uma metodologia computacional para projetar esta classe de mecanismo flexível inovador que emprega a flambagem não linear na sua estrutura como meio para obter sob grandes deslocamentos na porta de saída. A metodologia desenvolvida se baseia no MOT para obter a topologia da estrutura que satisfaça as restrições de projeto. A modelagem do comportamento físico da estrutura utiliza uma formulação variacional não linear do problema elástico, considerando a cinemática não linear com um modelo constitutivo policonvexo. O modelo de material aplicado para obter a topologia da estrutura do mecanismo foi o Solid IsotropicMaterial with Penalization (SIMP) com um algoritmo de otimização numérico baseado no método de ponto interior, onde foi utilizada a implementação do IpOpt em conjunto com a plataforma Python FEniCS de soluções de Equações Diferenciais Parciais (EDPs). São apresentados resultados bidimensionais de mecanismos considerando algumas configurações de geometria, condições de contorno e restrições de flambagem não-linear, como incremento de carga. / The compliant mechanism is a mechanical device used to transform displacement, force or energy between the input and output ports without joints, pins based on a monolithic structure, in other words, the motion transformation is given by the flexibility of its structure. In this way the movement can be defined to a specific axis direction, amplifying or reducing the applied displacement or force. For this reason, the compliant mechanism has significant applications in micromanipulation and nanopositioning system. The design of this type of device is intricate, and one way to achieve such design is trying to distribution flexibility or rigidity within the design domain using the Topology Optimization Method (TOM), which essentially combines numerical optimization algorithms with Finite ElementMethod (FEM), for example. Most models of existing compliant mechanism work under small displacements, in the order of micro or nanometers, nevertheless, there is a class of such mechanisms that uses the nonlinear buckling behavior to operate under large displacements. The design process of this mechanism type is complicated and is still at early stages, requiring improvements that allow a complete design process via computational methods. Therefore, this thesis goal is to develop a computational methodology to create this class of innovative compliant mechanism that employs nonlinear buckling behavior to work under large displacement at the output port. The approach developed is based on TOM to achieve the optimal structure topology that satisfies the design and optimization constraints. The modeling of the elasticity behavior of the structure relies on the nonlinear variational formulation, applying the nonlinear kinematics with a polyconvex constitutive model. The SIMP is employed as a material model to obtain the optimal topology of the mechanismstructure with a numeric optimization algorithm based on the interior point method, where the IpOpt implementation was used with the high-level Python interfaces to FEniCS to solve the partial differential equations (PDEs) problem. Two-dimensional results ofmechanisms are presented considering some geometric, boundary configuration, and including nonlinear buckling as design constraints.

Este trabalho apresenta a formulação de um problema de otimização topológica para o posicionamento ótimo de atuadores baseado na teoria de controle. A estrutura é composta por dois materiais: um material passivo elástico e um material ativo piezelétrico, ambos lineares. Pretende-se obter um sistema de controle no qual todos os estados sejam controláveis. O processo de otimização topológica busca a distribuição de material piezelétrico que maximize o menor autovalor do Gramiano de controlabilidade garantindo, assim, sua não singularidade e, consequentemente, que o sistema seja completamente controlável. Programação linear sequencial (SLP) é utilizada para a solução do problema de otimização e as sensibilidades para o modelo de elementos finitos são deduzidas para a função objetivo e restrições. Análises modais das topologias ótimas são utilizadas para a definição de um controlador LQR e as respostas das estruturas controladas submetidas à uma carga impulsiva são analisadas. / This work presents a topology optimization formulation for the actuator placement based on the control theory. The structure is composed by two materials: a passive elastic material and an active piezoelectric material, both linear. The aim is to obtain a control system which all states are controllable. The topology optimization process searches the piezoelectric material distribution which maximizes the smallest eigenvalue of the controllability Gramian ensuring its non-singularity and, therefore, the system is completely controllable. Sequential linear programming (SLP) is used to solve the optimization problem. The sensitivities for the finite element model were derived for the objective function and constraints. Modal analysis from the optimal topologies were employed in an LQR controller and the responses for the controlled structures submitted to an impulsive load are analyzed.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-04-28Bitstream added on 2014-06-13T18:06:43Z : No. of bitstreams: 1 sakamoto_jms_me_ilha.pdf: 6608858 bytes, checksum: 00cb410d8ba756148ea0f5626f2c8f3b (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A interferometria a laser é uma técnica consolidada para a caracterização de atuadores piezoelétricos. No entanto, este método requer um alinhamento óptico preciso e uma operação meticulosa. Há um grande interesse no desenvolvimento de sistemas de medição de deslocamento e vibração usando sensores reflexivos em fibra óptica devido a sua inerente simplicidade, tamanho reduzido, largura de banda ampla, limite de detecção extremamente baixo e capacidade de realizar medições sem contato ou afetar o sistema a ser ensaiado. Neste trabalho apresenta-se um arranjo simples do sensor reflexivo para se atingir resolução sub-micrométrica, utilizando-se fibras e componentes ópticos de baixo custo e circuitos eletrônicos simples. O sistema é constituído por duas fibras ópticas adjacentes (uma transmissora e outra receptora) e com extremidades emparelhadas, posicionadas na frente de uma superfície reflexiva vibratória. A luz proveniente de uma fonte óptica (no caso um laser) é acoplada à fibra transmissora e parte dos raios refletidos pela superfície móvel é capturada pela fibra receptora, que conduz a luz para um fotodetector. A tensão de saída do fotodetector é função da distância entre as extremidades das fibras e a superfície reflexiva. Apresenta-se uma formulação teórica da função de intensidade óptica refletida no plano a uma distância qualquer, juntamente com comparações entre características experimentais e teóricas do sensor reflexivo. Finalmente, atuadores piezoelétricos flextensionais, projetados com o método de otimização topológica, são caracterizados experimentalmente através da medição de seus deslocamentos sub-micrométricos, utilizando o sensor reflexivo. As respostas em freqüência dos piezoatuadores flextensionais são levantadas e o fenômeno de erro de trajetória e linearidade são discutidos. / The laser interferometer method is a well-established technique for the characterization of piezoelectric actuators. However, this method requires precise optical alignment and meticulous operation. There is great interest in developing displacement and vibration measurement systems using reflective fiber optic displacement sensors (RFODS) because of their inherent simplicity, small size, wide frequency range, extremely low displacement detection limit, and ability to perform measurements without contact or affecting the vibrating system. This work presents a simple arrangement of RFODS to achieve sub-micrometer resolution, using low-cost fibers and optical components, and simple electronic circuits. The system is composed of two adjacent transmitting and receiving fibers at one end, located in front of a reflecting vibrating surface. The transmitting fiber is connected to a laser source, and part of the reflected rays by the moving surface is captured by the receiving fiber, which is connected to a light detector. The output voltage is a function of the distance between probe and vibrating surface. A theoretical formulation of the reflected light intensity function at distal end plane is presented, together with comparisons of experimental and ideal RFODS characteristics. Finally, piezoelectric flextensional actuators (PFAs), designed with the topology optimization method, are experimentally characterized by the measurement of their sub micrometric displacements using a RFODS. The frequency responses of the PFAs are evaluated, and the tracking error phenomenon and linearity are discussed.

Este trabalho apresenta a formulação de um problema de otimização topológica para o posicionamento ótimo de atuadores baseado na teoria de controle. A estrutura é composta por dois materiais: um material passivo elástico e um material ativo piezelétrico, ambos lineares. Pretende-se obter um sistema de controle no qual todos os estados sejam controláveis. O processo de otimização topológica busca a distribuição de material piezelétrico que maximize o menor autovalor do Gramiano de controlabilidade garantindo, assim, sua não singularidade e, consequentemente, que o sistema seja completamente controlável. Programação linear sequencial (SLP) é utilizada para a solução do problema de otimização e as sensibilidades para o modelo de elementos finitos são deduzidas para a função objetivo e restrições. Análises modais das topologias ótimas são utilizadas para a definição de um controlador LQR e as respostas das estruturas controladas submetidas à uma carga impulsiva são analisadas. / This work presents a topology optimization formulation for the actuator placement based on the control theory. The structure is composed by two materials: a passive elastic material and an active piezoelectric material, both linear. The aim is to obtain a control system which all states are controllable. The topology optimization process searches the piezoelectric material distribution which maximizes the smallest eigenvalue of the controllability Gramian ensuring its non-singularity and, therefore, the system is completely controllable. Sequential linear programming (SLP) is used to solve the optimization problem. The sensitivities for the finite element model were derived for the objective function and constraints. Modal analysis from the optimal topologies were employed in an LQR controller and the responses for the controlled structures submitted to an impulsive load are analyzed.

Mecanismo Flexível é um dispositivo mecânico utilizado para transformar movimento, força ou energia entre as portas de entrada e saída sem a presença de juntas, pinos baseados em uma estrutura em monolítica, em outras palavras, a transformação do movimento é dada pela flexibilidade de sua estrutura. Deste modo a transformação pode ser direcionada em uma direção em específico, amplificando ou reduzindo o deslocamento ou força aplicados. Por este motivo mecanismos flexíveis tem grandes aplicações em micromanipulação e nano posicionamento. A concepção deste tipo de mecanismo é complexa e uma das possibilidades de elaboração deste dispositivo mecânico é através da distribuição de flexibilidade ou rigidez dentro do domínio de projeto utilizando o Método de Otimização Topológica (MOT), que essencialmente combina algoritmos de otimização numéricos como Método de Elementos Finitos (MEF), por exemplo. A grande maioria das classes de mecanismos flexíveis existentes trabalha sob pequenos deslocamentos, na ordem de micro ou nano metros, no entanto, existe uma classe de mecanismos que utiliza o recurso da flambagem não linear para operar com grandes deslocamentos. O procedimento de concepção desta de classe de mecanismo é complexa e ainda se encontra em estagio inicial, necessitando de aprimoramentos que permitam o seu projeto completo via métodos computacionais. Portanto, esta tese foi desenvolvida como objetivo desenvolver uma metodologia computacional para projetar esta classe de mecanismo flexível inovador que emprega a flambagem não linear na sua estrutura como meio para obter sob grandes deslocamentos na porta de saída. A metodologia desenvolvida se baseia no MOT para obter a topologia da estrutura que satisfaça as restrições de projeto. A modelagem do comportamento físico da estrutura utiliza uma formulação variacional não linear do problema elástico, considerando a cinemática não linear com um modelo constitutivo policonvexo. O modelo de material aplicado para obter a topologia da estrutura do mecanismo foi o Solid IsotropicMaterial with Penalization (SIMP) com um algoritmo de otimização numérico baseado no método de ponto interior, onde foi utilizada a implementação do IpOpt em conjunto com a plataforma Python FEniCS de soluções de Equações Diferenciais Parciais (EDPs). São apresentados resultados bidimensionais de mecanismos considerando algumas configurações de geometria, condições de contorno e restrições de flambagem não-linear, como incremento de carga. / The compliant mechanism is a mechanical device used to transform displacement, force or energy between the input and output ports without joints, pins based on a monolithic structure, in other words, the motion transformation is given by the flexibility of its structure. In this way the movement can be defined to a specific axis direction, amplifying or reducing the applied displacement or force. For this reason, the compliant mechanism has significant applications in micromanipulation and nanopositioning system. The design of this type of device is intricate, and one way to achieve such design is trying to distribution flexibility or rigidity within the design domain using the Topology Optimization Method (TOM), which essentially combines numerical optimization algorithms with Finite ElementMethod (FEM), for example. Most models of existing compliant mechanism work under small displacements, in the order of micro or nanometers, nevertheless, there is a class of such mechanisms that uses the nonlinear buckling behavior to operate under large displacements. The design process of this mechanism type is complicated and is still at early stages, requiring improvements that allow a complete design process via computational methods. Therefore, this thesis goal is to develop a computational methodology to create this class of innovative compliant mechanism that employs nonlinear buckling behavior to work under large displacement at the output port. The approach developed is based on TOM to achieve the optimal structure topology that satisfies the design and optimization constraints. The modeling of the elasticity behavior of the structure relies on the nonlinear variational formulation, applying the nonlinear kinematics with a polyconvex constitutive model. The SIMP is employed as a material model to obtain the optimal topology of the mechanismstructure with a numeric optimization algorithm based on the interior point method, where the IpOpt implementation was used with the high-level Python interfaces to FEniCS to solve the partial differential equations (PDEs) problem. Two-dimensional results ofmechanisms are presented considering some geometric, boundary configuration, and including nonlinear buckling as design constraints.

Este trabalho apresenta a formulação de um problema de otimização topológica para o posicionamento ótimo de atuadores baseado na teoria de controle. A estrutura é composta por dois materiais: um material passivo elástico e um material ativo piezelétrico, ambos lineares. Pretende-se obter um sistema de controle no qual todos os estados sejam controláveis. O processo de otimização topológica busca a distribuição de material piezelétrico que maximize o menor autovalor do Gramiano de controlabilidade garantindo, assim, sua não singularidade e, consequentemente, que o sistema seja completamente controlável. Programação linear sequencial (SLP) é utilizada para a solução do problema de otimização e as sensibilidades para o modelo de elementos finitos são deduzidas para a função objetivo e restrições. Análises modais das topologias ótimas são utilizadas para a definição de um controlador LQR e as respostas das estruturas controladas submetidas à uma carga impulsiva são analisadas. / This work presents a topology optimization formulation for the actuator placement based on the control theory. The structure is composed by two materials: a passive elastic material and an active piezoelectric material, both linear. The aim is to obtain a control system which all states are controllable. The topology optimization process searches the piezoelectric material distribution which maximizes the smallest eigenvalue of the controllability Gramian ensuring its non-singularity and, therefore, the system is completely controllable. Sequential linear programming (SLP) is used to solve the optimization problem. The sensitivities for the finite element model were derived for the objective function and constraints. Modal analysis from the optimal topologies were employed in an LQR controller and the responses for the controlled structures submitted to an impulsive load are analyzed.

Flextensional actuators assembled in association with piezoceramics feature the amplification of nanometric displacements generated by the ceramics energy conversion. For applications that require high precision positioning or vibration response attenuation, such as hard disc reading or atomic force microscopy, a response tracking control needs to be implemented. Shell and plate piezoactuators with vibration control have been extensively studied in literature, however the design of controlled piezoelectric systems by means of the Topology Optimization Method (TOM) has not been fully explored in literature yet, and is generally focused on the frequency domain transient analysis, which employs a model reduction method for the sake of computational implementation. Dealing with transient analysis of flextensional piezoelectric actuators, an active closed loop control design is more suited for the positioning and vibration problem, which consists on measuring the outputs of the system by the closed loop sensor layer, whose signal is modified by a control gain and eventually inputted into the actuator layer so the system response signal is modulated. Aiming to enhance the active feedback control in piezoelectric actuators (PEAs), this work targets the design of the flextensional microstructure considering an active velocity feedback control (AVFC), where the active piezoelectric sensing and actuating cycles imply in an extra damping to the system. Therefore, the flextensional mechanism compliance shall be distributed within the design domain by the allocation of void regions where there should be the flexible hinges. Such a design can be accomplished by means of the TOM, which employs a systematic analysis of the dynamic model through the finite element method (FEM). In this work, the finite element (FE) system model takes into account the piezoelectric ceramics intermediate nodes, what is denominated as non-collapsed piezoelectric nodes model, and whose induced voltage during the time domain dynamic response contributes to the active control of the system. The topology optimization (TO) problem is formulated for the system vibration suppression at the restoring position and at the actuated position (positioner) subject to material volume and design variables constraints. The TOM implemented is based on the solid isotropic material with penalization (SIMP), the dynamic adjoint sensitivity, and on the optimization solver known as sequential linear programming (SLP). To illustrate the method, bidimensional examples of optimized topologies are numerically obtained by employing different velocity feedback control gains, and the topologies efficiency are compared and contrasted. / Atuadores piezoelétricos flextensionais funcionam como amplificadores nanométricos dos deslocamentos gerados pela piezocerâmica. Em sistemas que necessitam de alta precisão de posicionamento final ou baixa energia de vibração após sofrer um impacto, como na leitura de um disco rígido ou na microscopia de força atômica, requer-se que o atuador conte com um fator de correção de posicionamento, o qual pode ser obtido através de uma lei de controle. A utilização de material piezoelétrico para o controle de vibração em dispositivos de casca e placa foi amplamente abordado na literatura, porém o projeto de sistemas piezoelétricos controlados utilizando-se do Método da Otimização Topológica (MOT) foi pouco explorado e em geral é focado na análise transiente no domínio da frequência, o qual necessita que o problema tenha que ser reduzido para que a implementação computacional torne-se viável. Tratando-se de análise transiente em atuadores piezoelétricos flextensionais pode-se considerar o emprego de um controle ativo, o qual captura informações do dispositivo através de piezo-sensores e as realimenta na forma de um sinal de entrada em piezo-atuadores para modulação do sinal de resposta. Visando aprimorar o efeito do controle ativo em atuadores piezelétricos, este trabalho é voltado para o projeto de sua estrutura flextensional considerando o controle ativo de realimentação de velocidade, em que o ciclo envolvendo sensoreamento e atuação piezoelétricos fornece um amortecimento extra ao sistema. Deseja-se portanto que a flexibilidade do mecanismo flextensional seja distribuída no domínio de projeto pré-definido alocando vazios em regiões ao redor de onde devem estar presentes articulações da estrutura flexível, o que é obtido pelo MOT. Para encontrar a distribuição otimizada de material no domínio de projeto, o MOT emprega a análise sistemática do modelo dinâmico através do Método dos Elementos Finitos (MEF). Neste trabalho a modelagem do sistema para o MEF leva em consideração a presença dos nós intermediários das cerâmicas piezoelétricas, denominada modelagem para nós não colapsados, cuja tensão gerada ao longo da resposta dinâmica temporal influencia no controle ativo do sistema. O problema de Otimização Topológica (OT) é formulado para a atenuação da vibração do sistema em posição neutra e em posição atuada (posicionador) sujeito a restrições de volume e a valores máximo e mínimo que as variaveis de projeto assumem. A implementação do MOT é baseada no modelo de material denominado Material Isotrópico Sólido com Penalização (MISP), no cálculo da sensibilidade dinâmica adjunta, e na rotina de otimização conhecida como Programação Linear Sequencial (PLS). Para ilustrar o método, são projetados dispositivos bidimensionais e diferentes ganhos de controle de realimentação de velocidade são utilizados para obtenção da topologia otimizada, analisando-se a eficiência em cada caso.

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.

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.