Προσομοίωση και βελτιστοποίηση ευφυών κατασκευών
Authors: Μαρακάκης Κωνσταντίνος 
Published: August 2022

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο μελέτης τα πιεζοηλεκτρικά κυκλώματα παραδιακλάδωσης για τον έλεγχο των ταλαντώσεων και του θορύβου σε διάφορες εφαρμογές. Τα πιεζοηλεκτρικά συστήματα παραδιακλάδωσης αποτελούνται από μια ηλεκτρική εμπέδηση, η οποία με τη σειρά της αποτελείται από αντίσταση, επαγωγή (πηνίο) ή χωρητικότητα (πυκνωτή) σε κάθε πιθανό συνδυασμό. Διάφοροι τύποι τέτοιων συστημάτων έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία για τον έλεγχο θορύβου ή ταλαντώσεων τόσο για συστήματα μιας, όσο και για περισσότερων ιδιομορφών.Η βασική ιδέα εφαρμογής των συστημάτων αυτών βασίζεται στην ικανότητα μετατροπής της δυναμικής ενέργειας παραμόρφωσης της κατασκευής (για παράδειγμα μιας έξυπνης δοκού ή πλάκας) σε ηλεκτρική ενέργεια. Χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες του ευθέως πιεζοηλεκτρικού φαινομένου η ενέργεια αυτή διοχετεύεται στα ηλεκτρικά κυκλώματα της παραδιακλάδωσης (για παράδειγμα σε μια αντίσταση) όπου μπορεί να καταναλωθεί μερικώς και να μετατραπεί σε θερμότητα. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται μορφοτροπείς οι οποίοι κατασκευάζονται από πιεζοηλεκτρικά υλικά, καθώς τέτοια υλικά παρουσιάζουν εξαιρετικές ιδιότητες ηλεκτρομηχανικής σύζευξης, όπως επίσης και καλή απόκριση συχνότητας.Έχει γίνει λεπτομερής μελέτη στην πρόσφατη βιβλιογραφία όπου έχουν δημοσιευθεί αρκετές μελέτες για δοκούς και πλάκες που συνδέονται με κυκλώματα παραδιακλάδωσης. Η ρύθμιση και η βελτιστοποίηση τέτοιων συστημάτων πραγματοποιείται είτε κατά τον σχεδιασμό και την τοποθέτηση των πιεζοηλεκτρικών μορφοτροπέων είτε με τη βελτίωση και την τελειοποίηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του συστήματος, δηλαδή των τιμών της αντίστασης, της επαγωγής και της χωρητικότητας. Υπάρχουν διάφορες εφαρμογές συστημάτων παραδιακλάδωσης στη βιβλιογραφία, μεταξύ άλλων, έλεγχος δομικού θορύβου, έλεγχος ταλαντώσεων, εφαρμογή σε σκληρούς δίσκους, σε έξυπνα πάνελ κλπ.Για την ανάλυση και τη σύγκριση των διάφορων τεχνικών, αναπτύχθηκε ένα αποδοτικό και ακριβές μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων για δοκό και πλάκα με ενσωματωμένα πιεζοηλεκτρικά επιθέματα . Επίσης αναπτύχθηκε μια γενική μεθοδολογία μοντελοποίησης παθητικών πιεζοηλεκτρικών κυκλωμάτων παραδιακλάδωσης με τη μέθοδο του χώρου κατάστασης, με δυνατότητα επέκτασης σε οποιασδήποτε μορφής δομής με ενσωματωμένα ή επιφανειακά πιεζοηλεκτρικά επιθέματα.Στα θεωρητικά μοντέλα που αναπτυχθήκαν εφαρμοστήκαν αλγόριθμοι βελτιστοποίησης σμήνους σωματιδίων (PSO) και γενετικών (GA) για τις παραμέτρους παραδιακλάδωσης των παθητικών κυκλωμάτων. Οι μεταβλητές σχεδιασμού για τον έλεγχο μιας ιδιομορφής ήταν η αντίσταση R και το πηνίο L. Ενώ για τη βελτιστοποίηση κυκλωμάτων πολλών ιδιόμορφών, εκτός την αντίσταση R και το πηνίο L, εισάγεται ως νέα μεταβλητή σχεδιασμού η χωρητικότητα C σε κυκλώματα πολλών ιδιομορφών «current flow». Η πρωτοτυπία της χρήση του πυκνωτή ως νέα μεταβλητή σχεδιασμού είχε σημαντική συνεισφορά στην απόδοση της απόσβεσης παραδιακλάδωσης πολλών ιδιομορφών.Τα υπολογιστικά αποτελέσματα που προέκυψαν από την προτεινόμενη μέθοδο, συγκρίθηκαν με αντίστοιχα πειραματικά δημοσιευμένα και με μοντέλα από εμπορικά πακέτα προσομοίωσης.Επίσης πραγματοποιήθηκε μελέτη της συνεισφοράς του τετραγωνικού συντελεστής ηλεκτρομηχανικής σύζευξης στη απόδοση της εφαρμογής παραδιακλαδωμένου ελέγχου σε πλάκα, όπου σε συνδυασμό με την βελτιστοποίηση των κυκλωμάτων αυξήσαν σημαντικά την απόδοση της απόσβεσης.Τα κυκλώματα παραδιακλάδωσης μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για μάστευση ενέργειας, προκειμένου να συλλεχθεί η μικρή ποσότητα ενέργειας που είναι απαραίτητη για να καταστεί το σύστημα αυτόνομο ενεργειακά.Τέλος εκτός από τα θεωρητικά μοντέλα που αναπτυχθήκαν, έγινε και πειραματική διερεύνηση των παραδιακλαδωμένων πιεζοηλεκτρικών κυκλωμάτων, όπου κυκλώματα συντονισμού συνδέονται μέσω πιεζοηλεκτρικών επιθεμάτων σε μια έξυπνη δοκό για τον έλεγχο των μηχανικών ταλαντώσεων.