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Projeto de multi-atuadores piezelétricos homogêneos e gradados utilizando o método de otimização topológica (2008)

  • Authors:
  • Autor USP: CARBONARI, RONNY CALIXTO - EP
  • Unidade: EP
  • Sigla do Departamento: PMR
  • Subjects: ATUADORES PIEZELÉTRICOS (PROJETO); TOPOLOGIA (OTIMIZAÇÃO)
  • Language: Português
  • Abstract: Microdispositivos piezelétricos tem uma vasta aplicação em mecânica de precisão, como, por exemplo, manipulação de células, microcirurgias, equipamentos de nanotecnologia e principalmente em microeletromecanismos (MEMS). Os microdispositivos piezelétricos considerados nesta tese essencialmente consistem de uma estrutura multi-flexível atuada por duas ou mais piezocerâmicas, que geram deslocamentos e forças em direções e regiões pré-determinadas do domínio, ou seja, a estrutura multi-flexível atua como um transformador mecânico amplificando e alterando os deslocamentos gerados pelas piezocerâmicas nos movimentos de atuação. O desenvolvimento destes microdispositivos piezelétricos em sua grande maioria não utiliza ferramentas sistemáticas e genéricas. A complexidade dos movimentos de atuação torna o desenvolvimento dos microdispositivos piezelétricos complexo, principalmente devido ao surgimento de movimentos indesejados ou acoplados durante a sua atuação. Portanto, é necessário um método sistemático e eficiente como o método de otimização topológica (MOT), que incorpore na sua formulação as principais exigências de projeto dos microdispositivos, como apresentado nesse trabalho. O MOT implementado é baseado na abordagem CAMD (Distribuição Contínua da Distribuição de Material), onde as pseudo-densidades são interpoladas nos nós de cada elemento finito, resultando numa distribuição contínua de material no domínio. Um método adjunto foiimplementado para o cálculo das sensibilidades. São consideradas três formulações. A primeira denominada de MAPs (Multi-Atuadores Piezelétricos) considera as regiões piezocerâmicas fixas, otimizando apenas a estrutura multi-flexível no domínio de projeto. Nesta formulação materiais não-piezelétricos (como, por exemplo, Alumínio) e vazio são distribuídos no domínio de projeto, mantendo as regiões piezocerâmicas fixas e homogêneas. ) Para validar os resultados obtidos com essa formulação foram fabricados protótipos de nanoposicionadores XY, que foram caracterizados experimentalmente utilizando técnicas de interferometria laser, considerando excitação quasi-estática. No entanto, essa primeira formulação impõe restrições no problema, limitando a optimalidade da solução obtida pela otimização topológica. Assim, surgiu a necessidade de desenvolver uma segunda formulação, que permite distribuir simultaneamente material não-piezelétrico, piezelétrico e vazio no domínio de projeto, denominada de LOMPs (Localização Ótima do Material Piezelétrico). A formulação dos LOMPs obtém simultaneamente a localização do material piezelétrico na estrutura flexível otimizada pela OT, e inclui também uma variável de projeto para determinar o ângulo ótimo entre as direções de polarização e do campo elétrico. Nesta formulação como as posições dos eletrodos não são conhecidas, "a priori", é utilizado como abordagem aplicar um campo elétrico constante para determinar a localização domaterial piezelétrico e conseqüentemente dos eletrodos. Finalmente, foi explorado o conceito de materiais com gradação funcional (MGFs) no projeto dos MAPs. Os MGFs apresentam uma distribuição contínua de materiais na sua microestrutura, não possuindo interface entre os materiais distribuídos, o que aumenta a vida útil do dispositivo piezelétrico. Assim, foi implementado uma terceira formulação denominada de MAPs MGFs, que permite obter a gradação ótima de materiais piezelétricos e não-piezelétricos no domínio piezocerâmico dos MAPs, conjuntamente com a topologia da estrutura multi-flexível. Essa formulação foi estendida para projetar atuadores bilaminares MGFs. Todas as formulações desenvolvidas utilizam uma função multi-objetivo, que permite controlar a rigidez e a flexibilidade minimizando o movimento acoplado, de cada movimento de atuação. ) Os exemplos numéricos são limitados a modelos bi-dimensionais, utilizando o estado plano de tensões e deformações mecânicas e elétricas, uma vez que a grande maioria das aplicações dos microdispositivos piezelétricos são bi-dimensionais
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 22.01.2008
  • Acesso à fonte
    How to cite
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    • ABNT

      CARBONARI, Ronny Calixto; SILVA, Emílio Carlos Nelli. Projeto de multi-atuadores piezelétricos homogêneos e gradados utilizando o método de otimização topológica. 2008.Universidade de São Paulo, São Paulo, 2008. Disponível em: < http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-04102016-093909/pt-br.php >.
    • APA

      Carbonari, R. C., & Silva, E. C. N. (2008). Projeto de multi-atuadores piezelétricos homogêneos e gradados utilizando o método de otimização topológica. Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-04102016-093909/pt-br.php
    • NLM

      Carbonari RC, Silva ECN. Projeto de multi-atuadores piezelétricos homogêneos e gradados utilizando o método de otimização topológica [Internet]. 2008 ;Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-04102016-093909/pt-br.php
    • Vancouver

      Carbonari RC, Silva ECN. Projeto de multi-atuadores piezelétricos homogêneos e gradados utilizando o método de otimização topológica [Internet]. 2008 ;Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-04102016-093909/pt-br.php

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