Nonlinear Circuit Models for EH Applications Including Multiple Scales

This thesis focuses on modeling the dynamic behavior of piezoelectric energy harvester devices. Nonlinearities arising from different aspects, such as material and geometrical effects, are taken into account. Classical reduced-order modeling approaches have been enhanced by including effects of ferroelastic and ferroelectric hysteresis and large deformations, yielding to effective circuit representations that allow for an intuitive insight in the energy transduction processes characterizing the considered class of devices. Nonlinearity sources have been assessed in a separate way. A physics-based model has been employed in order to reproduce hysteretic dynamics of PZT crystal domains. This provides an insight on how, through an engineered crystal design, material nonlinearities can be exploited in order to improve generation performances of piezoceramic-based harvesters. Moreover, an effective hybrid compu- tational framework is proposed for modeling geometric nonlinear effects on the response of flexible PVDF-based harvesters under large deformations. The procedure, experimentally validated, significantly reduce the computational effort for nonlinear dynamic multiscale analysis, while preserving a satisfactory accuracy.

Il presente lavoro di tesi è incentrato sulla modellazione dinamica dei dispositivi per l’energy harvesting basati su materiali piezoelettrici. L’indagine mira allo studio ed alla riproduzione dei comportamenti non lineari ascrivibili a due differenti cause: non linearità costitutive del materiale elettroattivo; non linearità legate ad effetti geometrici. Gli approcci adottati perfezionano i classici modelli di ordine ridotto attraverso l’inclusione di effetti dovuti sia all’isteresi ferroelettrica/ferroelastica dei materiali piezoelettrici sia alle grandi deformazioni, pervenendo, in ultimo, a sintetiche ed efficaci rappresentazioni circuitali in grado di fornire un’interpretazione intuitiva dei processi di trasduzione energetica in atto. Le due differenti cause di non linearità vengono esaminate separatamente. La riproduzione delle dinamiche non lineari dei domini di un cristallo di PZT è affidata ad un modello basato sulla fisica. L’adozione di tale approccio permette di esplorare le possibilità di miglioramento delle performance dei dispositivi basati su materiali piezoceramici, attraverso un’opportuna ingegnerizzazione del materiale. In merito alla seconda causa di non linearità, viene adottata una strategia computazionale ibrida, finalizzata a riprodurre gli effetti delle non linearità geometriche sulla dinamica di dispositivi flessibili in PVDF sottoposti a grandi deformazioni. La procedura proposta, validata sperimentalmente, dimostra di ridurre in modo significativo l’onere computazionale necessario allo sviluppo di analisi dinamiche non lineari multiscala, preservando un livello di accuratezza più che soddisfacente.