Submitted by Kilvya Braga (kilvyabraga@hotmail.com) on 2018-04-26T13:55:49Z No. of bitstreams: 1 ALAN GONÇALVES PAULO E SILVA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 4036442 bytes, checksum: 66c4a790f1155d8ce09ccc484d739542 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-26T13:55:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ALAN GONÇALVES PAULO E SILVA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 4036442 bytes, checksum: 66c4a790f1155d8ce09ccc484d739542 (MD5) Previous issue date: 2016-02-04 / Capes / A necessidade de controle ou supressão das vibrações surgiu devido aos seus efeitos danosos causados as pessoas, estruturas e elementos de máquinas. Com o passar dos anos, várias técnicas de controle foram criadas e se desenvolvem à medida que a tecnologia avança. Hoje, a utilização de materiais funcionais ou inteligentes, já é utilizada em larga escala em aplicações práticas e nas pesquisas acadêmicas dos maiores centros de tecnologia do mundo. Neste trabalho, temos como objetivo, realizar o controle de vibrações de uma estrutura com dois graus de liberdade do tipo pórtico, utilizando transdutores piezoelétricos associados a circuitos do tipo shunt de capacitância negativa com resistência elétrica em série. Para tal, utilizamos um circuito eletroeletrônico com componentes passivos (resistores, capacitores, indutores) associados a transdutores piezoelétricos QP10W, para produzirmos o circuito shunt de capacitância negativa, implementado através de Conversores de Impedância Negativa (NIC), utilizando amplificadores operacionais. As amplitudes de resposta do sistema nos domínios do tempo e frequência foram analisadas em vibração livre e em vibração forçada, utilizando os resistores que obtiveram o melhor desempenho na dissipação de energia da estrutura, que foram os de 100 Ω e de 150 kΩ. Obtivemos uma redução de 9,01 dB para o primeiro pico de frequência e de 6,95 dB para o segundo pico, em vibração livre. Para o caso de vibração forçada, obtivemos uma redução de 1,5 dB para o primeiro pico de frequência e de 2,19 dB para o segundo pico de frequência, cumprindo assim o objetivo do trabalho pretendido. / The need for control or suppression of vibrations arose due to its harmful effects caused at people, structures and machine elements. With the passage of years, various control techniques were created and develop as technology advance. Today, the use of functional or smart materials is already used on a large scale in practical applications and in academic research of the world's largest technology centers. In this work, our goal is to perform vibration control of a structure with two degrees of freedom portico type using piezoelectric transducers associated with the negative capacitance shunt circuits with electric resistance in series. To do this, we use an electroelectronics circuit with passive components (resistors, capacitors, inductors) associated with piezoelectric transducers QP10W, to produce the negative capacitance shunt circuit, implemented through Negative Impedance Converters (NIC) using operational amplifiers. Response amplitudes of the system in the domains of time and frequency were analyzed in free vibration and forced vibration using the resistors that had the best performance in energy dissipation structure, which were the 100 Ω and 150 kΩ. We obtained a reduction of 9.01 dB for the first peak frequency and 6.95 dB for the second peak in vibration free. In the case of forced vibration, we obtained a reduction of 1.5 dB for the first peak frequency and 2.19 dB for the second peak frequency, thus fulfilling the purpose of the intended work.

This study evaluates the effectiveness of actively controlled piezoceramics with positive position feedback (PPF) for reducing structural vibrations. A comparison is made between active control with PPF and a parallel resistor-inductor (RLC) shunt technique. The primary objectives of this study are to: 1. Explore the feasibility of using smart materials and fiber optics for simultaneous health monitoring and active damping of a representative aircraft panel. 2. Determine how optical fiber sensors may be used to detect vibration modes of an aircraft panel by investigating their use on a representative test article. 3. Determine how piezoelectric patches may be used to detect and counteract fundamental resonances of a representative test article. 4. Determine a control algorithm and hardware system to increase substantially the damping in the fundamental mode of the representative test article over a wide temperature range. 5. Develop a health-monitoring algorithm based on fiber optic sensors to detect impedance changes in a representative test article. 6. Make a comparison between active control with PPF and an RLC shunt technique. To achieve the objectives of this study, a special test rig was used to evaluate the performance of piezoelectric materials (PZTs) for vibration suppression. The test rig was used to rigidly clamp a flat 20-guage steel plate, and then excite the plate in various frequency ranges with an electromagnetic shaker. For each test, a data acquisition system was used to acquire the data to evaluate the performance of each PPF controller. Once the data was obtained, a comparison was made between active damping with PPF and passive damping with the RLC shunt technique. The active damping technique used for this study combined piezoelectric actuators with fiber optic sensors to achieve simultaneous active control and health monitoring of a test plate. The results of the active damping tests show that piezoelectric materials can provide substantial narrowband and broadband frequency reductions, while at the same time detecting damage on the test plate. More specifically, the test results indicate that smart damping materials can decrease the fundamental mode of vibration of the test plate by 23 dB and detect damage such as a loose bolt in the clamping frame, with the addition of only 0.04 lb of PZT on the test plate. The active damping technique reduced the plate vibrations at each mode within the frequency range of interest, with only one-third the amount of piezoelectric material needed for an RLC shunt circuit technique. / Master of Science

O uso de materiais piezelétricos no desenvolvimento de dispositivos para o aproveitamento de energia provinda de vibrações mecânicas, Energy Harvesting, tem sido largamente estudado na última década. Materiais piezelétricos podem ser encontrados na forma de finas camadas ou pastilhas, sendo facilmente integradas a estruturas sem aumento significativo de massa. A conversão de energia mecânica em energia elétrica se dá graças ao acoplamento eletromecânico dos materiais piezelétricos. A maioria das publicações encontradas na literatura exploram o uso de dispositivos eletromecânicos ressonantes, sintonizados na frequência de operação da estrutura, maximizando assim, a energia elétrica de saída dada uma certa condição de operação. O desempenho desses dispositivos ressonantes para coletar e armazenar energia é altamente dependente da adequada sintonização da sua frequência de ressonância com a frequência de operação do sistema/estrutura. Este trabalho apresenta o projeto, otimização e análise de incertezas de um dispositivo coletor/armazenador de energia que consiste em uma placa sob duas condições de contorno, engastada-livre (EL) e deslizante-livre (DL), com massa sísmica e materiais piezelétricos conectados a um circuito shunt. Um modelo em elementos finitos de placa laminada piezelétrica conectada a circuitos R e RL é utilizado combinando as teorias de camada equivalente e deformação de cisalhamento de primeira ordem. A disposição/quantidade de material piezelétrico bem como a massa sísmica acoplados à estrutura foram otimizadas utilizando-se um Algoritmo Genético, levando em conta análises mecânica (modelo mecânico, geometria, peso) e elétrica (modelo elétrico, circuito armazenador). Além disso, o efeito de incertezas dos parâmetros dielétrico e piezelétrico do transdutor, e da indutância elétrica ligada em série ao circuito coletor/armazenador de energia foi estudado. Os resultados indicam que a inclusão de uma indutância sintética ao circuito pode melhorar a coleta de energia em uma banda de frequência e, ainda, que a otimização geométrica pode reduzir a quantidade de material piezelétrico sem no entanto diminuir significativamente a energia gerada. / The use of piezoelectric materials in the development of devices to harvest energy from mechanical vibrations (Energy Harvesting) has been widely studied in the last decade. Piezoelectric materials can be found in the form of thin layers or patches easily integrated into structures without significant mass increase. The conversion of mechanical energy into electric power is provided by the electromechanical coupling of piezoelectric materials. Most publications in the literature explore the use of resonant electromechanical devices, tuned to the operating frequency of the host structure, thus maximizing the power output given a certain operating condition. The performance of these resonant devices to harvest and store energy is highly dependent on the proper tuning of its resonance frequency with the operation frequency of the system/structure. This work presents a design, optimization and uncertainty analysis of energy harvester device consisting of a plate with tip mass and piezoelectric materials connected to shunt circuits. Two boundary conditions are used for the plate, cantilever (EL) and sliding-free (DL). A coupled finite element model with R and RL circuits, combining equivalent single layer and first order shear deformation theories, was used. The distribution and volume of piezoelectric material and the tip mass coupled to the structure were optimized using a Genetic Algorithm, accounting for both mechanical (mechanical model, geometry, weight) and electric (electric model, storer circuit) analyses. Furthermore, the effect of uncertainties of transducer dielectric and piezoelectric constants and electric inductance connected in series with harvesting circuit was studied. The results indicate that the inclusion of a synthetic inductance can improve energy harvesting performance over a frequency range and also that the geometric optimization may reduce the piezoelectric material volume without diminishing significantly the harvested energy.

O uso de materiais piezelétricos no desenvolvimento de dispositivos para o aproveitamento de energia provinda de vibrações mecânicas, Energy Harvesting, tem sido largamente estudado na última década. Materiais piezelétricos podem ser encontrados na forma de finas camadas ou pastilhas, sendo facilmente integradas a estruturas sem aumento significativo de massa. A conversão de energia mecânica em energia elétrica se dá graças ao acoplamento eletromecânico dos materiais piezelétricos. A maioria das publicações encontradas na literatura exploram o uso de dispositivos eletromecânicos ressonantes, sintonizados na frequência de operação da estrutura, maximizando assim, a energia elétrica de saída dada uma certa condição de operação. O desempenho desses dispositivos ressonantes para coletar e armazenar energia é altamente dependente da adequada sintonização da sua frequência de ressonância com a frequência de operação do sistema/estrutura. Este trabalho apresenta o projeto, otimização e análise de incertezas de um dispositivo coletor/armazenador de energia que consiste em uma placa sob duas condições de contorno, engastada-livre (EL) e deslizante-livre (DL), com massa sísmica e materiais piezelétricos conectados a um circuito shunt. Um modelo em elementos finitos de placa laminada piezelétrica conectada a circuitos R e RL é utilizado combinando as teorias de camada equivalente e deformação de cisalhamento de primeira ordem. A disposição/quantidade de material piezelétrico bem como a massa sísmica acoplados à estrutura foram otimizadas utilizando-se um Algoritmo Genético, levando em conta análises mecânica (modelo mecânico, geometria, peso) e elétrica (modelo elétrico, circuito armazenador). Além disso, o efeito de incertezas dos parâmetros dielétrico e piezelétrico do transdutor, e da indutância elétrica ligada em série ao circuito coletor/armazenador de energia foi estudado. Os resultados indicam que a inclusão de uma indutância sintética ao circuito pode melhorar a coleta de energia em uma banda de frequência e, ainda, que a otimização geométrica pode reduzir a quantidade de material piezelétrico sem no entanto diminuir significativamente a energia gerada. / The use of piezoelectric materials in the development of devices to harvest energy from mechanical vibrations (Energy Harvesting) has been widely studied in the last decade. Piezoelectric materials can be found in the form of thin layers or patches easily integrated into structures without significant mass increase. The conversion of mechanical energy into electric power is provided by the electromechanical coupling of piezoelectric materials. Most publications in the literature explore the use of resonant electromechanical devices, tuned to the operating frequency of the host structure, thus maximizing the power output given a certain operating condition. The performance of these resonant devices to harvest and store energy is highly dependent on the proper tuning of its resonance frequency with the operation frequency of the system/structure. This work presents a design, optimization and uncertainty analysis of energy harvester device consisting of a plate with tip mass and piezoelectric materials connected to shunt circuits. Two boundary conditions are used for the plate, cantilever (EL) and sliding-free (DL). A coupled finite element model with R and RL circuits, combining equivalent single layer and first order shear deformation theories, was used. The distribution and volume of piezoelectric material and the tip mass coupled to the structure were optimized using a Genetic Algorithm, accounting for both mechanical (mechanical model, geometry, weight) and electric (electric model, storer circuit) analyses. Furthermore, the effect of uncertainties of transducer dielectric and piezoelectric constants and electric inductance connected in series with harvesting circuit was studied. The results indicate that the inclusion of a synthetic inductance can improve energy harvesting performance over a frequency range and also that the geometric optimization may reduce the piezoelectric material volume without diminishing significantly the harvested energy.