Optimization of flexoelectric devices
Saved in:
| Title: | Optimization of flexoelectric devices |
|---|---|
| Authors: | Tarín Tomás, Juan Carlos |
| Thesis Advisors: | Arias Vicente, Irene, Greco, Francesco, Escola Tècnica Superior d'Enginyeria de Camins, Canals i Ports de Barcelona |
| Source: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Publisher Information: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Publication Year: | 2026 |
| Physical Description: | 140 p. |
| Subject Terms: | Flexoelectricity, Piezoelectric metamaterials, Topology optimization, Shape optimization, Electromechanical coupling, Material architecture, Multi-objective optimization, Evolutionary algorithms., Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria elèctrica, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria dels materials, 624 - Enginyeria civil i de la construcció en general, 621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions, 620 - Assaig de materials. Material comercials. Economia de l'energia |
| Description: | (English) This thesis develops a strategy to study the optimization on flexoelectric devices. There are nowadays many electromechanical devices , sensors, actuators and energy harvesters, that rely on the basis of the well-known piezoelectric effect, but not all materials exhibit this effect. The most widely used piezoelectric materials show limitations in terms of fracture toughness, toxicity, biocompatibility and temperature range of operation. A novel alternative is provided by flexoelectricity, which, unlike piezoelectricity, appears in all dielectric materials. Flexoelectricity is a size dependent electromechanical coupling which manifest itself at sub micron scales and relies on the generation of field gradients inside the material. It has been recently shown, that the flexoelectric response to field gradients in the materials can be conveniently accumulated to produce a macroscopic effective piezoelectric-like response by material architecture. Through the suitable geometry of a repeating unit, piezoelectric metamaterials can be conceived to produce a net electromechanical response even when built from non-piezoelectric base materials, and thus devoid of some of the above mentioned limitations. The design of such piezoelectric metamaterials exploiting flexoelectricity poses numerous challenges both theoretical and computational. Flexoelectricity is a gradient-mediated property, and thus requires additional physical and engineering intuition beyond the homogeneous setups of piezoelectricity. The governing equations of flexoelectricity are a coupled system of fourth-order PDEs, which require solution methods beyond standard finite elements providing the required continuity. In recent work, these issues have been addressed in detail, identifying the main design concepts for piezoelectric metamaterials and developing suitable solution methods. In the present thesis, we focus on the systematic rational design of piezoelectric metamaterials and devices exploiting the flexoelectric effect. A useful tool towards this goal is topology and shape optimization with multiple and possibly conflicting objectives. An important challenge is the high-computational cost of solving flexoelectric boundary value problems in general geometries. We will thus aim at devising efficient optimization strategies to reduce the computational cost, introducing machine learning techniques to alleviate the need for detailed and accurate simulations for every design in the optimization process. |
| Description (Translated): | (Català) Aquesta tesi desenvolupa una estratègia per estudiar l’optimització en dispositius flexoelectrics. Existeixen avui dia molts dispositius electromecànics, sensors, actuadors i recol·lectors d’energia, que es basen en el conegut efecte piezoelèctric, però no tots els materials exhibeixen aquest efecte. Els materials piezoelèctrics més utilitzats mostren limitacions en termes de tenacitat a la fractura, toxicitat, biocompatibilitat i rang de temperatura d’operació. Una alternativa innovadora la proporciona la flexoelectricitat, que, a diferència de la piezoelectricitat, apareix en tots els materials dielèctrics. La flexoelectricitat és un acoblament electromecànic depenent de l’escala que es manifesta a escales submicromètriques i es basa en la generació de gradients de camp dins del material. S’ha demostrat recentment que la resposta flexoelectrica als gradients de camp en els materials pot acumular-se convenientment per produir una resposta macroscòpica efectiva similar a la piezoelèctrica mitjançant l’arquitectura del material. A través de la geometria adequada d’una unitat repetitiva, poden concebre’s metamaterials piezoelèctrics per produir una resposta electromecànica neta fins i tot quan es construeixen a partir de materials base no piezoelèctrics, i per tant mancats d’algunes de les limitacions esmentades anteriorment. El disseny d’aquests metamaterials piezoelèctrics que exploten la flexoelectricitat planteja nombrosos desafiaments tant teòrics com computacionals. La flexoelectricitat és una propietat mediada per gradients, i per tant requereix intuïció física i enginyeril addicional més enllà dels esquemes homogenis de la piezoelectricitat. Les equacions governants de la flexoelectricitat són un sistema acoblat d’EDPs de quart ordre, que requereixen mètodes de solució més enllà dels elements finits estàndard que proporcionen la continuïtat necessària. En treballs recents, aquestes qüestions han estat tractades amb detall, identificant els principals conceptes de disseny per a metamaterials piezoelèctrics i desenvolupant mètodes de solució adequats. En la present tesi, ens centrem en el disseny racional sistemàtic de metamaterials i dispositius piezoelèctrics que exploten l’efecte flexoelectric. Una eina útil cap a aquest objectiu és l’optimització topològica i de forma amb múltiples objectius i possiblement conflictius. Un desafiament important és l’elevat cost computacional de resoldre problemes de valors a la frontera flexoelectrics en geometries generals. Per tant, el nostre objectiu serà idear estratègies d’optimització eficients per reduir el cost computacional, introduint tècniques d’aprenentatge automàtic per alleugerir la necessitat de simulacions detallades i precises per a cada disseny en el procés d’optimització. (Español) Esta tesis desarrolla una estrategia para estudiar la optimización en dispositivos flexoeléctricos. Existen hoy en día muchos dispositivos electromecánicos, sensores, actuadores y recolectores de energía, que se basan en el conocido efecto piezoeléctrico, pero no todos los materiales exhiben este efecto. Los materiales piezoeléctricos más utilizados muestran limitaciones en términos de tenacidad a la fractura, toxicidad, biocompatibilidad y rango de temperatura de operación. Una alternativa novedosa la proporciona la flexoelectricidad, que, a diferencia de la piezoelectricidad, aparece en todos los materiales dieléctricos. La flexoelectricidad es un acoplamiento electromecánico dependiente del tamaño que se manifiesta a escalas submicrométricas y se basa en la generación de gradientes de campo dentro del material. Se ha demostrado recientemente que la respuesta flexoeléctrica a los gradientes de campo en los materiales puede acumularse convenientemente para producir una respuesta macroscópica efectiva similar a la piezoeléctrica mediante la arquitectura del material. A través de la geometría adecuada de una unidad repetitiva, pueden concebirse metamateriales piezoeléctricos para producir una respuesta electromecánica neta incluso cuando se construyen a partir de materiales base no piezoeléctricos, y por lo tanto desprovistos de algunas de las limitaciones mencionadas anteriormente. El diseño de dichos metamateriales piezoeléctricos que explotan la flexoelectricidad plantea numerosos desafíos tanto teóricos como computacionales. La flexoelectricidad es una propiedad mediada por gradientes, y por lo tanto requiere intuición física e ingenieril adicional más allá de los esquemas homogéneos de la piezoelectricidad. Las ecuaciones gobernantes de la flexoelectricidad son un sistema acoplado de EDPs de cuarto orden, que requieren métodos de solución más allá de los elementos finitos estándar que proporcionan la continuidad requerida. En trabajos recientes, estas cuestiones han sido tratadas en detalle, identificando los principales conceptos de diseño para metamateriales piezoeléctricos y desarrollando métodos de solución adecuados. En la presente tesis, nos centramos en el diseño racional sistemático de metamateriales y dispositivos piezoeléctricos que explotan el efecto flexoeléctrico. Una herramienta útil hacia este objetivo es la optimización topológica y de forma con múltiples objetivos y posiblemente conflictivos. Un desafío importante es el alto costo computacional de resolver problemas de valores en la frontera flexoeléctricos en geometrías generales. Por lo tanto, nuestro objetivo será idear estrategias de optimización eficientes para reducir el costo computacional, introduciendo técnicas de aprendizaje automático para aliviar la necesidad de simulaciones detalladas y precisas para cada diseño en el proceso de optimización. DOCTORAT EN ENGINYERIA CIVIL (Pla 2012) |
| Document Type: | Dissertation/Thesis |
| File Description: | application/pdf |
| Language: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-456988 |
| Access URL: | http://hdl.handle.net/10803/696938 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-456988 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| Accession Number: | edstdx.10803.696938 |
| Database: | TDX |
Be the first to leave a comment!