Sensitivity analysis and uncertainty quantification of (a)symmetric bistable energy harvesters - Norenberg, João Pedro Canisso Valese [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022)
Variabilidades paramétricas são efeitos inevitáveis em qualquer sistema de engenharia. Em coletores de energia, esse fenômeno pode definir aspectos cruciais em seu desempenho, especialmente devido sua suscetibilidade a pequenas perturbações. Desta forma, este trabalho visa identificar e compreender os parâmetros mais críticos em processos de colheita de energia através de sistemas coletores vibratórios, biestáveis, (as)simétricos, com acoplamento piezoelétrico (não)linear. O objetivo é avaliar a influência da variabilidade dos parâmetros físicos e das condições externas de excitação na potência recuperada. Para tanto, uma análise de sensibilidade global baseada em decomposição ortogonal de variância é empregada para quantificar a dependência da potência recuperada em relação aos parâmetros do sistema. A construção de um metamodelo baseado em caos polinomial foi conduzida para baratear o custo computacional. Essa avaliação indicou alta sensibilidade às propriedades elétricas do material piezoelétrico e do circuito resistivo, às condições de excitação e ao parâmetro de assimetria. Também foi demonstrado que a ordem de importância desses termos pode mudar de acordo com a estabilidade dinâmica do sistema. A razão de amortecimento e propriedades mecânicas do material piezoelétrico demonstraram baixa sensibilidade. Em seguida, é feito um estudo de propagação de incertezas através de um modelo probabilístico de baixa dimensão (apenas variáveis de alta sensibilidade) para compreender como esses efeitos impactam a geração de energia. Por fim, uma bancada experimental é construída e avaliada com o propósito de validar os achados numéricos relativos à influência da assimetria e condições de excitação. Resultados inéditos indicaram cenários que a assimetria pode aumentar a produção de energia a partir do efeito piezelétrico.

Parametric variability is an inevitable effect in any engineering system. In energy harvesting, this phenomenon can define crucial aspects, mainly because of its susceptibility to slight perturbations. This work aims to identify and understand the most critical parameters in the vibration energy harvesting process in (a)symmetric bistable systems with (non)linear piezoelectric coupling. The objective is to evaluate the influence of variability of physical parameters and external excitation conditions on recovered power. For this purpose, a global sensitivity analysis based on orthogonal variance-decomposition was performed to assess the dependence of the recovered power concerning the harvester parameters. Metamodeling based on polynomial chaos expansion was conducted to reduce the computational cost. High sensitivity was observed related to the electrical properties of both the piezoelectric material and resistive circuit, and also for the excitation conditions and asymmetry parameter. It has also been shown that the order of importance of the parameters can change according to the stability of the dynamic. The damping ratio and mechanical piezoelectric material properties showed low sensitivity. Next, an uncertainty propagation study was carried out through a low-dimensional probabilistic model (only high-sensitivity variables) to understand how these effects impact the energy harvesting process. Finally, an experimental assay was conducted to validate the numerical findings related to the influence of asymmetry and excitation conditions. Novel results indicated scenarios where asymmetry can improve energy harvesting with the piezoelectric effect.
Análise de sensibilidade e quantificação de incertezas de coletores de energia biestáveis (as)simétricos
Keywords: Colheita de energia por vibração; Dinâmica não linear; Assimetria; Acoplamento piezoelétrico não linear; Análise de sensibilidade global; Quantificação de incertezas; Vibration energy harvesting; Nonlinear dynamics; Asymmetry; Nonlinear piezoelectric coupling; Global sensitivity analysis; Uncertainty quantification