Viability study of a piezoeletric flow pump using computacional simulation.

As bombas de fluxo, além das aplicações clássicas em Engenharia, são instrumentos importantes em áreas como a biologia, farmácia e medicina. Um novo princípio para o bombeamento de fluidos está sendo estudado dentro do Departamento deEngenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O presente projeto trata deste princípio: a utilização de um atuador piezelétrico bilaminar inserido num meio fluido para geração de vazão. O objetivo deste projeto é verificar a viabilidade desta bomba piezelétrica através de simulações computacionais, estudando a sensibilidade do sistema a diversos parâmetros e realizando a otimização do mesmo de forma a maximizar seudesempenho. O software ANSYS é utilizado para a simulação computacional do problema de dinâmica de fluidos e para modelar o atuador piezelétrico bilaminar, e o software Altair Hyperstudy na etapa de otimização. O texto apresenta as metodologias empregadas e discute os resultados obtidos, de forma a analisar os fenômenos físicos em questão e validar este novo princípio proposto.Flow pumps, besides their classical applications in Engineering, are important devices in areas such as Biology, Pharmacy and Medicine. A novel principle for fluid pumping has been studied at the Department of Mechatronic Engineering and Mechanical Systems of the Engineering School of the University of Sao Paulo. The current project deals with this principle: the use of a bimorph piezoelectric actuator in a fluid environment for flow generation. The objective of this project is to verify the viability of this pump through computational simulations, by performing a sensitivity analysis for various parameters and an optimization to maximize its performance. The ANSYS software is used for the computational fluid dynamics simulations and for modeling the bimorph piezoelectric actuator, and the Altair Hyperstudy software for the optimization. The text presents the employed methodologies and discusses the obtained data in order to analyze the physical phenomena involved and to validate this novel principle

Viability study of a piezoeletric flow pump using computacional simulation.

As bombas de fluxo, além das aplicações clássicas em Engenharia, são instrumentos importantes em áreas como a biologia, farmácia e medicina. Um novo princípio para o bombeamento de fluidos está sendo estudado dentro do Departamento deEngenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O presente projeto trata deste princípio: a utilização de um atuador piezelétrico bilaminar inserido num meio fluido para geração de vazão. O objetivo deste projeto é verificar a viabilidade desta bomba piezelétrica através de simulações computacionais, estudando a sensibilidade do sistema a diversos parâmetros e realizando a otimização do mesmo de forma a maximizar seudesempenho. O software ANSYS é utilizado para a simulação computacional do problema de dinâmica de fluidos e para modelar o atuador piezelétrico bilaminar, e o software Altair Hyperstudy na etapa de otimização. O texto apresenta as metodologias empregadas e discute os resultados obtidos, de forma a analisar os fenômenos físicos em questão e validar este novo princípio proposto.Flow pumps, besides their classical applications in Engineering, are important devices in areas such as Biology, Pharmacy and Medicine. A novel principle for fluid pumping has been studied at the Department of Mechatronic Engineering and Mechanical Systems of the Engineering School of the University of Sao Paulo. The current project deals with this principle: the use of a bimorph piezoelectric actuator in a fluid environment for flow generation. The objective of this project is to verify the viability of this pump through computational simulations, by performing a sensitivity analysis for various parameters and an optimization to maximize its performance. The ANSYS software is used for the computational fluid dynamics simulations and for modeling the bimorph piezoelectric actuator, and the Altair Hyperstudy software for the optimization. The text presents the employed methodologies and discusses the obtained data in order to analyze the physical phenomena involved and to validate this novel principle

Design of transducers based on piezoelectric plates by using the topology optimization method.

Sensores e atuadores baseados em placas piezelétricas têm apresentado uma crescente demanda no campo denominado Estruturas Inteligentes, incluindo o desenvolvimento de atuadores para aplicações de resfriamento e bombeamento de fluidos, transdutores para novos coletores de energia, e diversas outras aplicações que apresentem requisitos quasi -estáticos e dinâmicos. Esta tese propõe o desenvolvimento de uma formulação de Otimização Topológica (OT) para o projeto de transdutores piezelétricos através da distribuição de material sobre um substrato metálico com o intuito de obter um comportamento quasi -estático e dinâmico desejado com maximização de deslocamentos ou tensão elétrica de saída, especificação de frequências e modos de vibrar, e maximização do Coeficiente de Acoplamento Eletromecânico (CAEM). O Método de Otimização Topológica (MOT) é uma poderosa técnica de otimização estrutural que combina o Método de Elementos Finitos (MEF) com algoritmos de otimização e tem como objetivo a distribuição de material num domínio de projeto para satisfação de objetivos previamente especificados. A modelagem por elementos finitos emprega uma formulação de placa piezelétrica capaz de representar os efeitos piezelétricos direto e inverso. Ela baseia-se na formulação MITC (Mixed Interpolation of Tensorial Components), a qual é confiável, eficiente e evita o problema de travamento por cisalhamento. A formulação de OT é baseada no modelo PEMAP-P (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization) combinado ao RAMP (Rational Approximation of Material Properties), no qual variáveis de projeto são as pseudo-densidades que descrevem a quantidade de material piezelétrico em cada elemento finito. Foram definidas funções multiobjetivo para os problemas de otimização quasi -estáticos e dinâmicos. Ao passo que o primeiro maximiza deslocamentos ou tensões elétricas de saída, e evita frequências de ressonância próximas à faixa de trabalho, o segundo projeta os modos de vibrar da estrutura, controla as frequências de ressonância e maximiza o CAEM do transdutor. Este texto apresenta o ciclo de projeto completo para transdutores baseados em placas piezelétricas concebidos através do MOT, apresentando a metodologia utilizada, as formulações dos problemas de otimização, a implementação numérica, os resultados computacionais obtidos, a fabricação e a caracterização de transdutores piezelétricos otimizados para validação experimental dos resultados obtidos pela OT.Sensors and actuators based on piezoelectric plates have shown increasing demand in the field of the so called Smart Structures, including the development of actuators for cooling and fluid pumping applications, transducers for novel energy harvesting devices, and many other application with quasi -static and dynamic requirements. This thesis proposes the development of a Topology Optimization (TO) formulation to design piezoelectric transducers by distributing piezoelectric material over a metallic plate in order to achieve a desired quasi -static and dynamic behavior with maximization of displacements or output voltages, specified vibration frequencies and modes, and maximization of the Electromechanical Coupling Coefficient (EMCC). The Topology Optimization Method (TOM) is a powerful structural optimization technique which combines the Finite Element Method (FEM) with optimization algorithms and aims at distributing material over a design domain to accomplish with previously set objectives. The finite element employs a piezoelectric plate formulation capable of representing both direct and converse piezoelectric effects. It is based on the MITC (Mixed Interpolation of Tensorial Components) formulation, which is reliable, efficient and avoids the shear locking problem. The topology optimization formulation is based on the PEMAP-P model (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization) combined with the RAMP model (Rational Approximation of Material Properties), where the design variables are the pseudo-densities that describe the amount of piezoelectric material at each finite element. Multiobjective functions are defined for the quasi -static and dynamic optimization problems. While the former aims at maximizing displacements or output voltages and avoiding resonance frequencies near its working range, the latter aims at designing the vibration mode, controlling the resonance frequency and maximizing the EMCC of the transducer. This text presents the complete design cycle for transducers based on piezoelectric plates designed by using the TOM and shows the applied methodology, optimization problem formulation, numerical implementation, achieved computational results, and the assembly and characterization of optimized piezoelectric transducers for experimental validation of the TO results

Dynamic Design of Piezoelectric Laminated Sensors and Actuators using Topology Optimization

Sensors and actuators based on piezoelectric plates have shown increasing demand in the field of smart structures, including the development of actuators for cooling and fluid-pumping applications and transducers for novel energy-harvesting devices. This project involves the development of a topology optimization formulation for dynamic design of piezoelectric laminated plates aiming at piezoelectric sensors, actuators and energy-harvesting applications. It distributes piezoelectric material over a metallic plate in order to achieve a desired dynamic behavior with specified resonance frequencies, modes, and enhanced electromechanical coupling factor (EMCC). The finite element employs a piezoelectric plate based on the MITC formulation, which is reliable, efficient and avoids the shear locking problem. The topology optimization formulation is based on the PEMAP-P model combined with the RAMP model, where the design variables are the pseudo-densities that describe the amount of piezoelectric material at each finite element and its polarization sign. The design problem formulated aims at designing simultaneously an eigenshape, i.e., maximizing and minimizing vibration amplitudes at certain points of the structure in a given eigenmode, while tuning the eigenvalue to a desired value and also maximizing its EMCC, so that the energy conversion is maximized for that mode. The optimization problem is solved by using sequential linear programming. Through this formulation, a design with enhancing energy conversion in the low-frequency spectrum is obtained, by minimizing a set of first eigenvalues, enhancing their corresponding eigenshapes while maximizing their EMCCs, which can be considered an approach to the design of energy-harvesting devices. The implementation of the topology optimization algorithm and some results are presented to illustrate the method.FAPESP (Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo, Sao Paulo State Research Support Foundation, Sao Paulo, Brazil)[06/50640-2]FAPESP (Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo, Sao Paulo State Research Support Foundation, Sao Paulo, Brazil)[06/57805-7]CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico, National Council of Scientific and Technological Development, Brazil)[303689/2009-9

Reflexo trigêmino-vagal em paciente submetido à clampagem do segmento coroideo

O reflexo trigêmino-vagal caracteriza-se pela súbita instalação de bradicardia, disritmia, hipotensão simpática, apneia e/ou hipermotilidade gástrica decorrente do estímulo da porção sensitiva do nervo trigêmeo e do território do nervo vago. Mais comumente, ocorre quando do estímulo da divisão oftálmica do nervo trigêmeo, da maxilar ou da mandibular. Recentemente, sua ocorrência tem sido descrita durante procedimentos cirúrgicos de base de crânio, como meningiomas e schwannoma do 5o nervo, tratamento da trigeminalgia por compressão por balão e algumas cirurgias de aneurisma próximos à borda tentorial. O nervo trigêmeo possui função mista, de modo que sua inervação é sensitiva e motora. Na porção sensitiva, inerva a face, o crânio e mucosas nasal e oral. Origina-se na região da ponte, entre o pedúnculo cerebelar médio; sua raiz sensitiva, no tronco do trigêmeo. Está formada por prolongamentos situados no gânglio trigemial, localizados no cavo trigeminal, sobre a parte petrosa do osso temporal. O nervo vago é de inervação mista e emerge do sulco lateral posterior do bulbo. Possui atividade parassimpática eferente, a qual influencia o funcionamento de diversos órgãos e sistemas (3). No reflexo trigêmino vagal, esses dois pares de nervo atuam em conjunto, na região do tentório, na base do crânio com os compartimentos supra e infra. A ação inibitória do sistema simpático pode decorrer de duas vias neurais: do centro córtico-hipotalâmico para centros medulares cardiovasculares (central) ou pode ser originado no próprio coração (periférico). Quando por estimulação do centro córtico-hipotalâmico, costuma ocorrer espontaneamente devido a emoções, aos estresse ou à dor(1). Alternativamente, pode ser devido à estimulação direta da região. O presente relato apresenta o caso de uma paciente de 54 anos, do sexo feminino, a qual manifestou o reflexo trigêmino-vagal, durante cirurgia para clampagem de aneurisma do segmento coroideo da artéria carótida interna direita(4): a abordagem cirúrgica desde o fundo no tentório, próximo à entrada do terceiro nervo, desencadeou importante bradicardia e queda de pressão arterial. Diante do reflexo trigêmino vagal, foi necessária a administração de duas doses de atropina 0,5 mg para manutenção das condições. Após mudança na tática cirúrgica, a fim de evitar essa região, o aneurisma pode ser clampeado e a paciente não apresentou déficits nem complicações

A biomimetic piezoelectric pump: Computational and experimental characterization

Flow pumps have been developed for classical applications in Engineering, and are important instruments in areas such as Biology and Medicine. Among applications for this kind of device we notice blood pump and chemical reagents dosage in Bioengineering. Furthermore, they have recently emerged as a viable thermal management solution for cooling applications in small-scale electronic devices. This work presents the performance study of a novel principle of a piezoelectric flow pump which is based oil the use of a bimorph piezoelectric actuator inserted in fluid (water). Piezoelectric actuators have some advantages over classical devices, such as lower noise generation and ease of miniaturization. The main objective is the characterization of this piezoelectric pump principle through computational simulations (using finite element software), and experimental tests through a manufactured prototype. Computational data, Such as flow rate and pressure curves, have also been compared with experimental results for validation purposes. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved

New Advances in Topology Optimization

IASS-IACM 2008 Session: New Advances in Topology Optimization -- Session Organizers: Glaucio H. PAULINO (UIUC), Emilio SILVA (University of Sao Paulo) -- Keynote Lecture: "Topology optimization with adaptive mesh refinement" by Eric DE STURLER (Virginia Tech), Glaucio H. PAULINO, Shun WANG (University of Illinois at Urbana-Champaign) -- "Strategies for computational efficiency in continuum structural topology optimization of sparse 3D systems" by Colby C. SWAN , Salam F. RAHMATALLA (University of Iowa) -- "Wachpress elements for topology optimization" by Cameron TALISCHI , Glaucio H. PAULINO, Chau H. LE (University of Illinois at Urbana-Champaign) -- "Topology optimization technique considering both static and dynamic characteristics of the structures" by S. J. LEE , J. E. BAE (Gyeongsang National University) -- Keynote Lecture: "Topology optimization method utilizing iterative solvers with subspace recycling applied to high-resolution electrical impedance tomography" by Luis Augusto Motta MELLO , Emilio Carlos Nelli SILVA (University of Sao Paulo), Eric DE STURLER (Virginia Tech), Glaucio H. PAULINO (University of Illinois at Urbana-Champaign) -- "Topology optimization considering fabrication errors and length scale constraints" by James K. GUEST (Johns Hopkins University) -- "A simple and effective inverse projection scheme for void distribution control in topology optimization" by Glaucio H. PAULINO (University of Illinois at Urbana-Champaign), Sylvia ALMEIDA (Universidade Federal de Goias), Emilio Carlos Nelli SILVA (University of Sao Paulo) -- "Design of dynamic laminate piezoelectric sensors and actuators using topology optimization" by Paulo Henrique NAKASONE , Emilio Carlos Nelli SILVA (University of Sao Paulo

Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos

Esta é uma publicação da Escola Politécnica da USP / Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos, fruto de pesquisas realizadas por docentes e pesquisadores desta Universidade Iniciou-se a partir de outubro de 1999 a publicação do boletim técnico do Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos, criado a partir do desdobramento do antigo Departamento de Engenharia Mecânica. O presente trabalho é um resumo da dissertação de mestrado apresentada por Paulo Henrique Nakasone: "Estudo da Viabilidade de uma Bomba de Fluxo Piezelétrico Utilizando Simulação Computacional ” sob a orientação do Prof. Dr. Emilio Carlos Nelli Silva, defendida em 15/05/2006, na EPUSP. A íntegra da dissertação encontra-se à disposição com o autor, na Biblioteca de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica/USP e no endereç