Modellazione e sperimentazione di elementi strutturali compositi piezoelettrici

This thesis concerns the electro-mechanical study of a composite cantilever, stressed in bending, consisting of one metal layer and one piezoelectric material layer. In particular we studied the structural response, in terms of displacement and electric potential, under static and dynamic actions. The purpose of this study was to compare and validate results from a simplified structural beam model with that obtained from two commercial finite element codes. The limitations of the simplified model compared with more precise numerical analysis had been shown. This aspect has been analyzed considering the presence of an external electric circuit, which was able to exploit the potential difference that is generated, during bending, in the piezoelectric material layer. The results obtained with the simplified model show a lower estimate of the power generated compared to results obtained with commercial codes, and good reproduction of the trend of the variables of interest. Finally we fabricated specimens to realize experimental tests to compare with the available numerical models. Some difficulties have been encountered in the production phase which have had later a negative impact on the acquisition data. In particular it was not possible to obtain a good adhesion between the two layers, piezoelectric and metal, through the uniform coat of a bicomponent glue.

Il lavoro di tesi riguarda lo studio elettro-meccanico di una trave composita a mensola, sollecitata a flessione, costituita da uno strato metallico e uno in materiale piezoelettrico. Si è approfondito in particolare il comportamento strutturale, in termini di spostamento e potenziale elettrico, sotto azioni statiche e dinamiche. Lo scopo del lavoro è stato quello di confrontare e validare i risultati derivanti da un modello strutturale di trave semplificato con quelli ricavati da due codici di calcolo commerciali tridimensionali. Sono stati mostrati i limiti di tale semplificazione rispetto ad analisi numeriche più precise. Tale aspetto è stato approfondito considerando la presenza di un circuito elettrico esterno in grado di sfruttare la differenza di potenziale che si genera, durante la flessione, nello strato di materiale piezoelettrico. I risultati ottenuti mostrano, da parte del modello semplificato, una stima della potenza generata inferiore rispetto ai codici commerciali, ed una buona descrizione dell'andamento nel tempo delle variabili di interesse. Infine sono stati costruiti provini su cui poter effettuare prove sperimentali da poter confrontare con i modelli numerici a disposizione. Si sono riscontrate alcune difficoltà nella fase di fabbricazione che hanno poi avuto conseguenze negative all'atto dell'acquisizione dei dati. In particolare non si è riusciti a ottenere una buona adesione tra i due strati, piezoelettrico e metallico, attraverso la stesura uniforme di una colla bicomponente.