Otimização topológica de dispositivos piezoelétricos utilizando metamateriais piezocompósitos

Resumo

Interesse global na produção e no desenvolvimento de transdutores piezoelétricos aumentou exponencialmente nos últimos anos, principalmente devido à utilização em larga escala de sistemas embarcados em redes de sensores e pela Indústria 4.0. Esses dispositivos estão sendo cada vez mais utilizados em diferentes aplicações de sensores e atuadores como, por exemplo, para medição, monitoramento, diagnósticos e controle, e coletores de energia constituídos por material piezoelétrico vem sendo simultaneamente desenvolvido para prover energia a eles. Portanto é de interesse otimizar a forma desses dispositivos, permitindo assim, por exemplo, um maior deslocamento de ponta de atuadores ou uma maior geração de energia em coletores piezoelétricos, para um volume de material constante. Além disso, a composição de materiais piezoelétricos também pode ser otimizada, gerando compósitos multimateriais. Isso pode ser realizado desenvolvendo-se modelos matemáticos de dispositivos piezoelétricos, aplicando-se discretização numérica com o método dos elementos finitos e empregando-se técnicas de otimização topológica, tais como o método de otimização estrutural evolucionária bidirecional (BESO), separadamente na macro e na microescala, assim como simultaneamente em ambas simultaneamente (na multiescala), utilizando algoritmos de substruturamento ou homogeneização. Desta forma, o objetivo principal desta pesquisa é desenvolver métodos computacionais e numéricos para a análise multiescala e otimização topológica de metamateriais piezoelétricos, em aplicações como atuadores, sensores e coletores de energia. (AU)