Piezoelectric nonlinear energy sink for energy harvesting in aeroelastic system in Flutter Condition

Abstract

This work presents a comprehensive analysis of an aeroelastic system in flutter conditions and with a Piezoelectric Nonlinear Energy Sink (PNES). A nonlinear energy sink (NES) is a nonlinear absorber, typically implemented as a secondary mechanical system designed as a passive absorber. The PNES is an NES that integrates a piezoelectric component, thereby enabling it to also function as an energy harvester useful for powering autonomous systems. The research spanned three main stages: model validation, energy harvesting performance, and robustness assessment. The model validation was performed by comparing the low order model using Dowell aerodynamics (LOM-Dowell model) against a multibody model with computational fluid dynamics simulations (multibody-CFD model). The energy harvesting performance analysis used the Multiple Scales Method (MMS) and Runge-Kutta simulation (RK). The cubic nonlinear stiffness coefficient (δ) was found to increase flutter speed (U∗) at the expense of reducing system response and harvested electrical power (Pe). Conversely, the quadratic nonlinear electromechanical coupling coefficient (K) increases Pe. Finally, a probabilistic uncertainty analysis, employing Monte Carlo Simulation (MCS), assessed system robustness. The uncertainty analysis established the superior robustness of the nonlinear PNES system compared to the linear configuration. The analysis also confirmed that the electromechanical coupling (θ) and plunge stiffness (kh) are the dominant parameters influencing power output under uncertainty. In conclusion, the PNES not only increases energy harvesting but also enhances the system’s robustness, resulting in a more reliable power output than its linear counterpart.

Este trabalho apresenta uma análise de um sistema aeroelástico em condições de flutter com um Piezoelétrico Nonlinear Energy Sink (PNES). Um Nonlinear Energy Sink (NES) é um absorvedor não linear, geralmente implementado como um sistema mecânico secundário projetado para absorção passiva. O PNES é um NES que integra um componente piezoelétrico, permitindo-lhe funcionar, também, como um energy harvester, útil para alimentar sistemas autónomos. A pesquisa abrangeu três etapas principais: validação do modelo, desempenho do energy harvesting e avaliação da robustez. A validação do modelo foi realizada comparando o modelo de baixa ordem utilizando a aerodinâmica de Dowell (modelo LOM-Dowell) com um modelo multibody com simulações de dinâmica de fluidos computacional (modelo multibody-CFD). A análise de energy harvesting utilizou o Método das Múltiplas Escalas (MMS) e simulação de RungeKutta (RK). Observou-se que o coeficiente de rigidez não linear cúbica (δ) aumenta a velocidade de flutter (U ∗ ) à custa da redução da resposta do sistema e da potência elétrica coletada (Pe). Por outro lado, o coeficiente de acoplamento eletromecânico não linear quadrático (K) aumenta a Pe. Finalmente, uma análise probabilística de incerteza, empregando a Simulação de Monte Carlo (MCS), avaliou a robustez do sistema. A análise de incerteza estabeleceu a robustez superior do sistema PNES não linear em comparação com a configuração linear. A análise também confirmou que o acoplamento eletromecânico (θ) e a rigidez de plunge (kh) são os parâmetros dominantes que influenciam a saída de potência sob incerteza. Em conclusão, o PNES não apenas aumenta a coleta de energia, mas também melhora a robustez do sistema, resultando em uma saída de potência mais confiável do que sua contraparte linear.