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.

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

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

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

A 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.

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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation presents the development of a system for converting the mechanical energy from vibrations into electrical energy. The conversion is performed in a low-cost piezoelectric transducer, commonly known as buzzer. The main purpose of this system is to charge, or to extend the time between charges, of chargeable batteries up to 2V. In order to control the charging process, an integrated energy processor was also designed. Processor design is presented from its specification, followed by circuit topology definition, electric simulation, layout, extraction of circuit from layout and a final simulation including layout effects. The main contribution of the investigation is to show how much energy could be obtained from vibrations with a low-cost transducer, comparing its performance to full custom generators. The final system implementation is very simple, composed by a generator (a buzzer with a steel ball glued onto its center) and an integrated circuit that controls the charge delivered to the battery, sensing the voltage across its terminals. An efficiency of 55% is expected, being comparable to results published by other researchers. / Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um sistema para converter energia mecânica de vibrações em energia elétrica. A conversão é realizada através de um transdutor de baixo custo comumente chamado de buzzer. O principal objetivo deste sistema é carregar ou estender o tempo entre cargas de baterias recarregáveis de até 2 V. Para o controle do processo de carga, um processador de energia integrado também foi desenvolvido. O projeto do processador de energia é apresentado segundo especificações como definição de topologia, simulação elétrica, layout, extração elétrica do circuito através do layout e a simulação final incluindo os efeitos do layout. A principal contribuição desta dissertação é mostrar como muita energia poderia ser obtida de vibrações com um transdutor de baixo custo, comparando sua performance a outros microgeradores. O sistema final implementado é muito simples, composto por um microgerador (buzzer com uma esfera de aço colada no centro) e um circuito integrado que controla a carga da bateria, através da monitoração da tensão da mesma. Uma eficiência de 55% é esperada, sendo comparável com os resultados obtidos por outros pesquisadores.

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

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

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