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Disertación de Maestría
DOI
10.11606/D.18.2009.tde-20102009-101624
Documento
Autor
Nombre completo
Carlos do Carmo Pagani Júnior
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Carlos, 2009
Director
Tribunal
Trindade, Marcelo Areias (Presidente)
Marques, Flávio Donizeti
Silva, Emilio Carlos Nelli
Título en portugués
Projeto e otimização de filtros modais usando redes de sensores piezoelétricos
Palabras clave en portugués
Algoritmo genético
Filtros modais
Método dos elementos finitos
Otimização topológica
Sensores piezelétricos
Resumen en portugués
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.
Título en inglés
Design and optimization of modal filters using arrays of piezoelectric sensors
Palabras clave en inglés
Finite element method
Genetic algorithm
Modal filters
Piezoelectric sensors
Topology optimization
Resumen en inglés
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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Este documento es únicamente para usos privados enmarcados en actividades de investigación y docencia. No se autoriza su reproducción con finalidades de lucro. Esta reserva de derechos afecta tanto los datos del documento como a sus contenidos. En la utilización o cita de partes del documento es obligado indicar el nombre de la persona autora.
Fecha de Publicación
2009-10-22
 
ADVERTENCIA: El material descrito abajo se refiere a los trabajos derivados de esta tesis o disertación. El contenido de estos documentos es responsabilidad del autor de la tesis o disertación.
  • PAGANI JR, Carlos C, and TRINDADE, Marcelo 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, n. 9, p. 095046.
  • 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.
  • TRINDADE, M.A., et al. Effect of parametric uncertainties on the effectiveness of discrete piezoelectric spatial modal filters [doi:10.1615/Int.J.UncertaintyQuantification.2012005287]. International Journal for Uncertainty Quantification [online], 2013.
  • PAGANI JÚNIOR, C.C., and TRINDADE, M. A. Design of adaptive modal filters using piezoelectric sensor arrays. In XIII International Symposium on Dynamic Problems of Mechanics (DINAME 2009), Angra dos Reis, 2009. Proceedings of the XIII International Symposium on Dynamic Problems of Mechanics (DINAME 2009).Rio de Janeiro : ABCM, 2009.
  • PAGANI JÚNIOR, C.C., and TRINDADE, M.A. Topology optimization of piezoelectric sensors arrays applied to modal filters design. In IV ECCOMAS Thematic Conference on Smart Structures and Materials, Porto, 2009. Proceedings of the IV ECCOMAS Thematic Conference on Smart Structures and Materials., 2009.
  • PAGANI JÚNIOR, C.C., and TRINDADE, M.A. Uncertainty analysis in the design of modal filters using piezoelectric sensor arrays. In 20th ABCM International Congress of Mechanical Engineering (COBEM'09), Gramado, 2009. 20th ABCM International Congress of Mechanical Engineering (COBEM'09). : ABCM, 2009.
  • PAGANI JÚNIOR, C.C., e TRINDADE, M. A. Otimização topológica de redes de sensores piezoelétricos para o projeto de filtros modais. In XXIX CILAMCE - Congresso Ibero Latino Americano de Métodos Computacionais em Engenharia, Maceió, 2008. Anais do XXIX CILAMCE. : ABMEC, 2008.
  • PAGANI JÚNIOR, C.C., e TRINDADE, M.A. Modelagem por elementos finitos de placas com sensores piezoelétricos aplicada ao desenvolvimento de filtros modais. In X Encontro de Modelagem Computacional, Nova Friburgo, 2007. X Encontro de Modelagem Computacional., 2007.
  • PAGANI JÚNIOR, C.C., e TRINDADE, M.A. Projeto e otimização do desempenho de filtros modais baseados em redes de sensores piezoelétricos. In VIII Simpósio de Mecânica Computacional - SIMMEC 2008, Belo Horizonte, 2008. Anais do VIII Simpósio de Mecânica Computacional - SIMMEC 2008., 2008.
  • PAGANI JÚNIOR, C.C., TRINDADE, M.A., e OLIVEIRA, L.P.R. Experimental validation of modal filters based on arrays of piezoelectric sensors. In 21st ABCM International Congress of Mechanical Engineering (COBEM), Natal, 2011. Proceedings of the 21st ABCM International Congress of Mechanical Engineering (COBEM)., 2011.
  • 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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