Coletor Piezoelétrico de Vibrações Estruturais com Geometria Sanfonada: Análise Teórica e Experimental

Abstract

En el contexto general de la piezoelectricidad, el modelo estructural conocido como cantiléver ha sido utilizado en el diseño y optimización de dispositivos para convertir señales de vibración estructural en energía eléctrica. Los avances tecnológicos recientes, especialmente en el área de los microsistemas, requieren dispositivos cada vez más pequeños y generalmente más rígidos, lo que inevitablemente tiende a aumentar su frecuencia natural fundamental, que puede estar fuera del rango de frecuencia de interés, limitando el uso del modelo cantiléver. Para cumplir con los requisitos simultáneos de bajo volumen y rigidez, buscamos desarrollar colectores en voladizo con características geométricas innovadoras, que permitan alcanzar valores adecuados para las frecuencias naturales del dispositivo. En este sentido, este trabajo consiste en desarrollar y comparar modelos matemáticos de colectores piezoeléctricos de energía según una configuración geométrica conocida como configuración en abanico o su traducción en inglés fan-folded. La idea es combinar vigas piezoeléctricas a través de elementos de conexión que obedecen teóricamente al modelo en voladizo de manera que el ensamblaje resultante tenga una rigidez equivalente que resulte en frecuencias naturales más bajas. Así, cuanto mayor sea el número de vigas presentes en el conjunto, más flexible será el dispositivo sin provocar un aumento sustancial de volumen. Se formulan modelos electromecánicos continuos, usando las teorías de Euler-Bernoulli y Timoshenko junto con modelos de elementos finitos para varias configuraciones geométricas consideradas.

No contexto geral da piezoeletricidade, o modelo estrutural conhecido como cantilever tem sido usado no projeto e otimização de dispositivos à conversão de sinais de vibração estrutural em energia elétrica. Avanços tecnológicos recentes, principalmente na área de micro-sistemas exigem dispositivos cada vez menores e geralmente mais rígidos, o que inevitavelmente tende a aumentar sua frequência natural fundamental, podendo esta situarse fora da faixa de frequências de interesse, limitando a utilização do modelo cantilever. Para atender às exigências simultâneas de baixo volume e rigidez, busca-se desenvolver coletores que cantilever apresentem características geométricas inovadoras, possibilitando alcançar-se valores adequados para as frequências naturais do dispositivo. Neste sentido, este trabalho consiste em desenvolver e comparar modelos matemáticos de coletores piezoelétricos de energia de acordo com uma configuração geométrica conhecida como fan-folded ou simplesmente configuração dobrada em leque. A idéia é combinar vigas piezoelétricas através de elementos de ligação que teoricamente obedeçam o modelo cantilever tal que a montagem resultante possua rigidez equivalente resultando em frequências naturais mais baixas. Assim, quanto maior o número de vigas presentes na montagem, mais flexível será o dispositivo sem acarretar aumento substancial de volume ao mesmo. Modelos eletromecânicos contínuos, utilizando as teorias de Euler-Bernoulli e Timoshenko juntamente modelos em elementos finitos são formulados para diversas configurações geométricas consideradas.