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Mémoire de Maîtrise
DOI
10.11606/D.18.2009.tde-20102009-101624
Document
Auteur
Nom complet
Carlos do Carmo Pagani Júnior
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2009
Directeur
Jury
Trindade, Marcelo Areias (Président)
Marques, Flávio Donizeti
Silva, Emilio Carlos Nelli
Titre en portugais
Projeto e otimização de filtros modais usando redes de sensores piezoelétricos
Mots-clés en portugais
Algoritmo genético
Filtros modais
Método dos elementos finitos
Otimização topológica
Sensores piezelétricos
Resumé en portugais
Filtros modais permitem que se identifique a contribuição de cada modo de vibrar na resposta dinâmica de uma estrutura, o que pode simplificar o projeto de sistemas dinâmicos em diversas aplicações como controle de vibrações, controle de forma, monitoramento de integridade estrutural e aproveitamento de energia. O objetivo desta dissertação é desenvolver uma metodologia para projetar e otimizar filtros modais a partir de uma rede de sensores piezelétricos discretos. É de especial interesse a relação entre a topologia da rede de sensores e o desempenho dos filtros modais obtidos pela soma ponderada dos sinais de tensão elétrica medida por cada sensor. A modelagem estrutural, usando o método dos elementos finitos com acoplamento eletromecânico, considera uma placa retangular de alumínio com trinta e seis sensores piezelétricos, em forma de pequenas pastilhas, colados sobre uma de suas superfícies. As topologias de rede consideradas neste trabalho consistem das possíveis combinações de trinta e seis sensores tomados doze a doze. Esta estratégia permite um amplo processo de otimização topológica a partir de um único modelo de elementos finitos. Duas funções-objetivo definem os índices de desempenho de cada topologia de rede avaliada, objetivando projetar filtros modais capazes de isolar a resposta dos primeiros modos de vibrar que maximizem a faixa de frequência e minimizem o número de sensores necessários. Em uma primeira abordagem ao problema de otimização topológica combinatorial, é utilizado o método de busca extensiva em um espaço de soluções reduzido. Em seguida, o problema é codificado para o uso de um algoritmo genético. Os resultados mostram que aumentos de 25% a 50% na faixa de frequência dos filtros modais podem ser obtidos a partir da otimização topológica da rede de sensores.
Titre en anglais
Design and optimization of modal filters using arrays of piezoelectric sensors
Mots-clés en anglais
Finite element method
Genetic algorithm
Modal filters
Piezoelectric sensors
Topology optimization
Resumé en anglais
Modal filters allow identifying the contribution of each vibration mode to the dynamical response of a structure, which can simplify the design of dynamical systems in several applications, such as vibration control, shape control, structural health monitoring and energy harvesting. The aim of this dissertation is to develop a methodology to design and optimize modal filters by using a discrete array of piezoelectric sensors. The relationship between the sensors array topology and the performance of the modal filters, which are obtained by means of weighted sum of the voltage signs, draws special interest. The structural modeling through the finite element method with electromechanical coupling considers a retangular aluminum plate with thirty-six patch-shaped piezoelectric sensors bonded on one of its surfaces. The array topologies considered in this work consist of the possible combinations of thirty-six sensors taken twelve at a time. This strategy allows for a broad process of topological optimization by using only one finite element model. Two objective functions define the performance index associated with each evaluated array topology, aiming to design modal filters able to isolate the response of the first vibration modes that maximize the frequency band and minimize the number of sensors needed. As a first approach to the combinatorial topology optimization problem, the extensive search method is applied to a reduced solutions space. Next, the optimization problem is codified for using a genetic algorithm. The results show that an increase from 25% to 50% in the frequency band of the modal filters can be obtained from the topology optimization of the sensors array.
 
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Date de Publication
2009-10-22
 
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  • PAGANI JÚNIOR, C.C., and TRINDADE, M.A. Optimization of modal filters based on arrays of piezoelectric sensors [doi:10.1088/0964-1726/18/9/095046]. Smart Materials and Structures [online], 2009, vol. 18, p. 095046.
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  • TRINDADE, M. A., et al. Structural vibration control using piezoelectric materials. In Brazil AFOSR Workshop on Advanced Structural Mechanics and Computational Mathematics, Campinas, 2008. Brazil AFOSR Workshop on Advanced Structural Mechanics and Computational Mathematics. : UNICAMP/AFOSR, 2008.
  • TRINDADE, M.A., et al. On the effectiveness of spatial modal filters based on optimally designed arrays of piezoelectric sensors subjected to parametric uncertainties. In 1st International Symposium on Uncertainty Quantification and Stochastic Modeling, Maresias, 2012. Proceedings of the 1st International Symposium on Uncertainty Quantification and Stochastic Modeling., 2012.
  • TRINDADE, M.A., PAGANI JÚNIOR, C.C., and OLIVEIRA, L.P.R. Semi-modal active vibration control of plates using discrete piezoelectric modal filters. In 22nd International Conference on Adaptive Structures and Technologies (ICAST'2011), Corfu, 2011. Proceedings of the 22nd International Conference on Adaptive Structures and Technologies., 2011.
  • TRINDADE, M.A., PAGANI JÚNIOR, C.C., e MASSAROPPI JR., E. Robustness of modal filters using piezoelectric sensor arrays subject to positioning uncertainties. In XXXI Iberian-Latin-American Congress on Computational Methods in Engineering (CILAMCE) and IX Argentinian Congress on Computational Mechanics (MECOM), Buenos Aires, 2010. Mecánica Computacional., 2010.
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