Método de otimização topológica aplicado ao projeto de sonotrodos para transdutores piezelétricos (2008)
- Authors:
- Autor USP: KIYONO, CÉSAR YUKISHIGUE - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PMR
- Subjects: ULTRASSONOGRAFIA; MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS; CONVERSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA; VIBRAÇÕES
- Language: Português
- Abstract: Este trabalho tem por finalidade desenvolver um método baseado em Otimização Topológica para projetar uma estrutura mecânica, chamada de sonotrodo, acoplada a um transdutor piezelétrico de potência (dispositivo mecânico capaz de transformar energia elétrica em deformação mecânica ou vice-versa). Um sonotrodo é uma estrutura utilizada para transmitir vibrações mecânicas de um transdutor piezelétrico, ajustando a amplitude e a distribuição dos deslocamentos gerados por essa vibração para obedecer aos requisitos do projeto do transdutor. Dentre as aplicações de transdutores piezelétricos utilizando sonotrodos, pode-se citar sonares para navegação, limpeza e solda ultrassônica, tomografia acústica, furadeiras ultrassônicas, corte ultrassônico de tecidos, etc. Os requisitos de projeto do sonotrodo variam para cada aplicação, desde a necessidade de se obter o deslocamento máximo em um único ponto do sonotrodo até a uniformização do deslocamento de um plano inteiro da estrutura. Para a obtenção do resultado ótimo, neste trabalho são aplicadas técnicas de Otimização Topológica (OT). OT é um procedimento para projetar o leiaute ótimo de estruturas distribuindo material dentro de uma região fixa. O método de OT é implementado utilizando a Programação Linear Seqüencial (PLS) como algoritmo de otimização, e é baseado na interpolação "Simple Isotropic Material with Penalization" (SIMP) como formulação de modelo de material. É apresentado também um estudo sobre a utilização do modelo de material "Rational Approximation of Material Properties" (RAMP) na tentativa de se reduzir instabilidades numéricas como modos localizados. O Método de Elementos Finitos (MEF) é aplicado para modelar o sonotrodo utilizando a formulação de elemento axissimétrico de quatro nós e de elemento em Estado Plano de Tensões Mecânicas (EPTM).É apresentada a implementação para OT estrutural contínua baseada em variáveis de projeto por nós, o que minimiza instabilidades numéricas, tais como "instabilidade de tabuleiro". As freqüências de ressonâncias e os modos de vibrar são computados através do método de Lanczos. É utilizado um algoritmo baseado na formulação "Modal Assurance Criterion" (MAC) para que um certo modo de vibrar seja encontrado, de modo que a freqüência de ressonância relacionada a esse modo seja otimizada. São apresentados exemplos para verificar a eficiência e a generalidade do método proposto, e também, um estudo sobre a influência dos parâmetros de otimização utilizadas no método. Por fim, são apresentados resultados que atendem a todos os requisitos de projeto, bem como seu pós-processamento, e análise no software comercial ANSYS®.
- Imprenta:
- Data da defesa: 28.03.2008
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ABNT
KIYONO, César Yukishigue. Método de otimização topológica aplicado ao projeto de sonotrodos para transdutores piezelétricos. 2008. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2008. Disponível em: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-02062008-140446/. Acesso em: 27 dez. 2025. -
APA
Kiyono, C. Y. (2008). Método de otimização topológica aplicado ao projeto de sonotrodos para transdutores piezelétricos (Dissertação (Mestrado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-02062008-140446/ -
NLM
Kiyono CY. Método de otimização topológica aplicado ao projeto de sonotrodos para transdutores piezelétricos [Internet]. 2008 ;[citado 2025 dez. 27 ] Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-02062008-140446/ -
Vancouver
Kiyono CY. Método de otimização topológica aplicado ao projeto de sonotrodos para transdutores piezelétricos [Internet]. 2008 ;[citado 2025 dez. 27 ] Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-02062008-140446/ - Projeto de transdutores piezocompósitos de casca multi-camada utilizando o método de otimização topológica
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