d15模式壓電懸臂梁俘能器性能的模擬.pdf

1、隨著微小型電子元器件功耗的顯著減小,俘獲環(huán)境中可利用的振動能為它們供能已備受關(guān)注,尤其是在遠(yuǎn)程/無線傳感應(yīng)用領(lǐng)域。相比靜電、電磁方式,壓電俘能具有能量密度高,結(jié)構(gòu)相對簡單的優(yōu)點?；谌N不同模式的壓電效應(yīng),壓電俘能具有d31、d33、d15這三種不同的工作模式。一種典型的壓電俘能器結(jié)構(gòu)是附有一層或兩層壓電材料的懸臂梁(單晶片或雙晶片)。懸臂梁安置在振動主結(jié)構(gòu)上,振動中壓電層的動態(tài)應(yīng)變產(chǎn)生交流輸出電壓。針對這類俘能器除了實驗研究外,研究者

2、們還提出了各類數(shù)學(xué)模型。然而,目前大多數(shù)的分析方法模型局限在d31和d33模式,關(guān)于d15模式(剪模式)懸臂梁壓電俘能器的分析方法模型鮮有報道。雖然有文獻(xiàn)報道用數(shù)值方法(有限元)模擬剪模式俘能器,但僅此難以直觀了解剪模式懸臂梁俘能器的工作機(jī)理,以及深刻剖析俘能器性能與各項設(shè)計參數(shù)的關(guān)系,從而為提高俘能效果提供設(shè)計指導(dǎo)。本文首先評述了壓電俘能器的研究進(jìn)展和應(yīng)用背景以及現(xiàn)有的壓電懸臂梁俘能器數(shù)學(xué)模型,包括單自由度模型、分布參數(shù)模型等。然后以

3、兩種不同結(jié)構(gòu)的剪模式懸臂梁壓電俘能器為研究對象,分別創(chuàng)建了單自由度模型和分布參數(shù)模型進(jìn)行模擬。本文的主要內(nèi)容如下:
　　1.針對已有實驗文獻(xiàn)報道的階梯梁結(jié)構(gòu)的剪模式單晶片,本文結(jié)合d15模式壓電本構(gòu)關(guān)系,創(chuàng)建了單自由度模型。模擬并計算了該俘能器的共振頻率、最大輸出電壓和輸出功率分別為63.8Hz、122.5V和7.6mW,其結(jié)果與實驗相符驗證了剪模式單自由度模型的正確性。基于此模型還討論了壓電材料特性和幾何尺寸對俘能性能的影響。<

4、br>　　2.針對均勻復(fù)合梁式的d31模式雙晶片,創(chuàng)建了基于Euler–Bernoulli梁理論的分布參數(shù)模型。結(jié)果表明:相比單自由度模型,分布參數(shù)模型考慮了動態(tài)模型形狀和精確的應(yīng)變分布,能夠模擬任意模態(tài)響應(yīng)并成功解釋共振頻率漂移現(xiàn)象。
　　3.針對均勻復(fù)合梁式的d15模式單晶片,本文創(chuàng)建了基于Timoshenko梁理論的分布參數(shù)模型。模擬并計算了該俘能器的共振頻率、輸出電壓和輸出功率,其結(jié)果與有限元模擬相符驗證了該模型的正確性。