Diseño óptimo de micromecanismos tridimensionales con actuación electrotérmica utilizando optimización topológica y unidades de procesamiento gráfico (GPU)

Los MEMS son sistemas electromecánicos diseñados y manufacturados en la microescala y su principal uso es en la mecánica de precisión. Estos pequeños sistemas trabajan como mecanismos flexibles, donde su movilidad se debe a la flexibilidad de la estructura en vez de juntas móviles. En consecuencia, los MEMS son estructuras monolíticas las cuales no requieren del ensamble de partes ni de lubricación. Existen diversos principios físicos para la actuación de los MEMS, entre las más destacadas están: la actuación electrostática, piezoeléctrica, magnetoresistiva, aleaciones de memoria de forma y actuación térmica. Especialmente, la actuación electrotermomecánica (ETM), que es una subdivisión de la actuación térmica, presenta algunas ventajas comparada con las otras formas de actuación, entre las cuales está la actuación embebida, grandes fuerzas y desplazamientos, alta densidad de trabajo y fácil fabricación. Adicionalmente, los MEMS con actuación ETM son susceptibles de diseñarse sistemáticamente mediante el Método de Optimización Topológica (MOT).Para el diseño de MEMS ETM mediante el MOT se deben solucionar tres problemas físicos acoplados, uno eléctrico, otro electrotérmico y uno termomecánico considerando el Método de los Elementos Finitos (MEF); adicionalmente, el problema de optimización se resuelve iterativamente, donde el número de iteraciones va de una valor mínimo típico de 50 iteraciones hasta algunos miles. Por lo tanto, la solución de problemas mediante el MOT requiere de grandes recursos computacionales. Con el fin de tratar estos problemas multifísicos que son bastante complejos, en el presente trabajo se muestra una metodología para el diseño de MEMS ETM 3D usando el MOT y considerando computación paralela en procesadores gráficos programables (GPU) con el objetivo de acelerar el proceso de diseño. Las ventajas y desventajas del uso de GPU son medidas en términos del tiempo computacional en relación a la versión serial del código implementado en CPU. En el MOT se usará el modelo de material SIMP y el problema de optimización será resulto mediante el método de Programación Lineal Secuencial (PLS). Ambos códigos, el serial y el paralelo, son probados con el diseño de diferentes MEMS ETM.

• Autores: Ramírez Gil, Francisco Javier
• Fecha de publicación: 2013
• Institución: Universidad Nacional de Colombia
• Repositorio: Universidad Nacional de Colombia
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:repositorio.unal.edu.co:unal/20935
• Acceso en línea: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/20935; http://bdigital.unal.edu.co/11617/
• Palabra clave: 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering; MEMS; Actuación electrotérmica; Método de Optimización Topológica (MOT); Método de los Elementos Finitos (MEF); Tridimensional (3D); Computación Paralela; Procesadores Gráficos Programables (GPU); MEMS; Electrothermal actuation; Topology Optimization Method (TOM); Finite Element Method (FEM); Tridimensional (3D); Parallel computing; Graphics Processing Unit (GPU)
• Rights: openAccess
• License: Atribución-NoComercial 4.0 Internacional