Modélisation non-linéaire et conception optimale d'un récupérateur d'énergie piézomagnétoélastique pour la marche humaine.

Nonlinear modeling and optimal design of a piezomagnetoelastic energy recuperator for human walking.

• Auteur / Autrice : Louis Verzellesi
• Direction : Foudil Mohri, Mohamed Hamdaoui
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Récolteur d'énergie

Piézoélectrique

Electromagnétique

Faibles puissances

Basses fréquences

Marche humaine

Energy harvester

Piezoelectric

Electromagnetic

Low power

Low frenquency

Human walking

Résumé

Ce travail de thèse consiste à concevoir un récupérateur d'énergie hybride piézomagnétoélastique à large bande passante capable de récupérer de l'énergie de plusieurs sources d'excitation à la fois, satisfaisant aux contraintes de durabilité, d'intégrabilité, de non toxicité et de puissance de sortie minimale nécessaire aux produits ZhorTech. De façon générale, le mécanisme consistera en un récupérateur d'énergie bioémcanique couplant une partie piézoélectrique et une partie électromagnétique. L'élargissement de la bande passante se fera en introduisant des non-linéarités géométriques et matérielles dues aux effets des parois minces très sensibles aux grands déplacements et aux matériaux à gradients de propriétés. Une modélisation mathématique non-linéaire du récupérateur allant du simple système d'équations différentielles ordinaires non-linéaires couplées au modèle éléments finis non-linéaire sera mise en place en fonction des nonlinéarités (matériau, géométrique) et couplages piézomagnétoélastiques considérées. Le modèle proposé sera calibré vis-à-vis de simulations numériques et d'essais expérimentaux de type pot vibrant disponible au LeM3. Des stratégies d'optimisation ad hoc seront aussi développées pour maximiser la puissance récoltée sous contraintes de faisabilité. Une interface électronique de récupération optimisée dédiée sera mise en place en collaboration avec le SYMME et ZhorTech.

This thesis work consists in designing a hybrid piezomagneto-elastic energy recuperator with a wide bandwidth capable of recovering energy from several excitation sources at the same time, satisfying the constraints of durability, integrability, non-toxicity and minimum output power required for ZhorTech products. In general, the mechanism will consist of a bio-mechanical energy recuperator coupling a piezoelectric and an electromagnetic part. The bandwidth expansion will be achieved by introducing geometric and material nonlinearities due to the effects of thin walls that are very sensitive to large displacements and materials with gradient properties. A nonlinear mathematical model of the recuperator ranging from a simple system of nonlinear ordinary differential equations coupled to a nonlinear finite element model will be implemented according to the nonlinearities (material, geometric) and piezomagnetic-elastic couplings considered. The proposed model will be calibrated against numerical simulations and experimental tests of the vibrating pot type available at LeM3. Ad hoc optimization strategies will also be developed to maximize the harvested power under feasibility constraints. A dedicated optimized electronic recovery interface will be implemented in collaboration with SYMME and ZhorTech.