On saturation phenomenon in energy harvesting based on nonlinear piezoelectric materials coupled to a portal frame foundation with ideal and non-ideal excitations

Recently, the interest and research about energy harvesting has been increasing substantially in the technical-scientific community. With the great world demand for electrical energy, many researchers, in Brazil and in the World, have concentrated their efforts to seek new energy sources. In addition, with the technological advances is possible to use low-power consumption devices, that are, most of time, powered by a battery, which are limited energy sources having the necessity of recharging or substituting them periodically. In the energy harvesting process, the electrical energy is obtained through the conversion of mechanical energy created by a vibrating source in the environment using a transducer. Among the most common energy transduction mean, the use of piezoelectric materials has been of great interest in the energy harvesting matter due to its ease of application and its use to harvest energy in a wide range of frequencies. Vibration sources in the environment may occur in structures by vehicle traffics, a train movement, sea waves and even people. With that, the objective of this work is to study the energy harvesting using a nonlinear two-degrees-of-freedom portal frame platform with a nonlinear piezoelectric material coupled to one of its columns and externally base-excited. The nonlinear platform possesses two-to-one internal resonance between its two vibration modes. The nonlinearities of the piezoelectric material is considered as a nonlinear mathematical relation. Moreover, this work is separated in two parts to the analysis of the external excitations. In the first part, a harmonic force base-exciting the system is considered. In the second part is considered an electro-dynamical shaker with harmonic output. The employed methodology to carry out the analysis of this work was: the application of the method of multiple scales to find the best configuration of the parameters, and to find some kind of phenomena due to the two-to-one internal resonance; in the following were carried out several numerical simulations using the method of Runge-Kutta of 4th and 5th order with variable step seeking to optimize the energy harvesting through parametrical variations, bifurcation diagrams, FFTs, time histories and other typos of simulations. In general, it will be done two much important comparisons: the influence of the nonlinearity of the piezoelectric material and the use of the harmonic force and the shaker to the energy harvesting. The results showed great influence of the nonlinearity of the material, and using the electro-dynamical device it was possible to have a considerably gain in the system stability.Recentemente, o interesse e a pesquisa de coleta de energia têm aumentado substancialmente no meio técnico-científico. Com a grande demanda mundial por energia elétrica, muitos pesquisadores, no Brasil e no Mundo, têm concentrado seus esforços na busca de novas fontes de energia. Além disso, com os avanços da tecnologia, é possível utilizar dispositivos de baixo consumo de energia, que são, na maioria das vezes, alimentados por uma bateria, que são fontes de energia finita havendo a necessidade da recarga ou troca periodicamente, das mesmas. No processo de coleta de energia, a energia elétrica é obtida através da conversão de energia mecânica criada por uma fonte de vibração do meio ambiente através de um transdutor. Entre os mais comuns meios de transdução de energia, o uso de materiais piezoelétricos vêm sendo de grande interesse em meio a coleta de energia devido sua facilidade de aplicação e seu uso para coleta de energia em um amplo intervalo de frequências. Fontes de vibração do meio ambiente podem ser causadas em estruturas através do movimento de veículos, um trêm, ondas do mar e até o deslocamento de pessoas. Com isso, este trabalho tem como objetivo estudar a coleta de energia utilizando uma plataforma aporticada não-linear de dois graus de liberdade contendo um material piezoelétrico não-linear acoplado a uma de suas colunas e excitado externamente em sua base. A plataforma não-linear possui ressonância interna 2:1 entre seus modos de vibrar. A não-linearidade do material é considerada através de uma relação matemática não-linear. Além disso, este trabalho será separado em duas partes para a análise das excitações externas. Em sua primeira parte, considera-se uma força harmonica excitando sua base. Na segunda parte, será considerando um vibrador eletrodinâmico com saída harmônica. A metologia empregada para a realização das análises deste trabalho foram: utilizar o método de múltiplas escalas para buscar as melhores configurações dos parâmetros e encontrar fenômenos devido à ressonancia interna 2:1; em seguida foram realizadas excessivas simulações numéricas utilizando o método de Runge-Kutta de quarta e quinta ordem com passo variável buscando otimizar a coleta de energia através da variação de parâmetros, diagramas de bifurcação, expoente de lyapunov, FFTs e históricos no tempo e outros tipos de simulações. Em geral serão feitas duas comparações muito importantes. A influência da não-linearidade do material piezoelétrico e do uso da força harmonica e do vibrador eletrodinâmico na coleta de energia. Os resultados mostraram grande influência da não-linearidade do material piezoelétrico, e utilizando o vibrador foi possível ter um ganho considerável na estabilidade do sistema.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES