[發(fā)明專利]用于振動(dòng)發(fā)電的矩形懸臂梁壓電振子優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910043085.0
• 申請日: 2009-04-09
• 公開（公告）號(hào): CN101567021A
• 公開（公告）日: 2009-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳仲生;楊擁民;鄧冠前;陶利民
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓電材料有限元建模技術(shù)領(lǐng)域，特別提供一種用于振動(dòng)發(fā)電的矩形懸臂梁壓電振子優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元方法。

背景技術(shù)

如何在不用導(dǎo)線或電纜的情況下對獲取的裝備狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行有效傳輸是當(dāng)前監(jiān)控領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的興起為此帶來了契機(jī)。對無線傳感器來說，供電問題是制約其應(yīng)用的瓶頸問題之一，由于傳統(tǒng)的電池供電方式存在電池壽命有限需經(jīng)常更換、更換電池不方便、成本及維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。為此，人們極其渴望研究一種新的能量源代替電池對無線傳感器進(jìn)行永久供電。

近年來，利用壓電振子將周圍環(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)為電能的壓電式振動(dòng)發(fā)電技術(shù)已成為狀態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域研究的一個(gè)前沿課題。但是，壓電振子產(chǎn)生的電量大小與其結(jié)構(gòu)尺寸、環(huán)境振動(dòng)頻率密切相關(guān)。當(dāng)壓電振子與環(huán)境頻率發(fā)生共振時(shí)，其產(chǎn)生的電壓將達(dá)到最大值；而當(dāng)壓電振子固有頻率偏離共振頻率時(shí)，其發(fā)電性能將明顯下降。因此，為了提高壓電振子的輸出電量，實(shí)際應(yīng)用中需對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

矩形懸臂梁是目前廣泛采用的一種壓電振子結(jié)構(gòu)，具有變形大、共振頻率低等優(yōu)點(diǎn)，它一般由壓電陶瓷片、基體和質(zhì)量塊組成。對矩形懸臂梁壓電振子來說，為了提高其發(fā)電量，必須使其與環(huán)境振動(dòng)頻率發(fā)生共振。實(shí)際中影響壓電振子共振頻率的因素很多，如何根據(jù)針對工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的矩形懸臂梁壓電振子目前還缺乏一種有效的方法。為此，本發(fā)明針對矩形懸臂梁壓電振子，提供一種有限元分析方法，得到壓電振子的幾何尺寸及質(zhì)量塊大小對其發(fā)電量和固有頻率的影響規(guī)律，為在給定環(huán)境振動(dòng)頻率下設(shè)計(jì)出最優(yōu)的矩形懸臂梁壓電振子結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種用于振動(dòng)發(fā)電的矩形懸臂梁壓電振子優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元方法，為設(shè)計(jì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)的矩形懸臂梁壓電振子提供依據(jù)，從而提高其輸出電量。

本發(fā)明的矩形懸臂梁壓電振子優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元方法，包括下列步驟：

1)建立矩形懸臂梁壓電振子的有限元模型；

2)仿真分析壓電振子的幾何尺寸和質(zhì)量塊大小對其發(fā)電量的影響規(guī)律；

3)仿真分析壓電振子的幾何尺寸和質(zhì)量塊大小對其固有頻率的影響規(guī)律；

4)結(jié)合實(shí)際中給定的使用空間和振動(dòng)頻率大小，根據(jù)步驟2)、3)確定壓電振子的最優(yōu)幾何尺寸和質(zhì)量塊大小。

所述步驟1)中的矩形懸臂梁壓電振子，是將兩片壓電陶瓷片按相同極化方向進(jìn)行并聯(lián)，對稱粘貼在金屬基體兩側(cè)，質(zhì)量塊粘貼壓電振子的自由端。

所述方法采用Ansys軟件實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的特點(diǎn)是：能夠得到矩形懸臂梁壓電振子的各參數(shù)及質(zhì)量塊大小與其產(chǎn)生電壓和固有頻率之間的關(guān)系，為設(shè)計(jì)與環(huán)境產(chǎn)生共振的最優(yōu)壓電振子結(jié)構(gòu)提供依據(jù)；應(yīng)用性強(qiáng)，適用于其他形狀的懸臂梁壓電振子優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖。

圖2是矩形懸臂梁壓電振子結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是矩形懸臂梁壓電振子的幾何模型圖。

圖4是矩形懸臂梁壓電振子的網(wǎng)格劃分圖。

圖5是矩形懸臂梁壓電振子的有限元模型圖。

圖6是壓電振子長度與其產(chǎn)生電壓的關(guān)系圖。

圖7是壓電振子寬度與其產(chǎn)生電壓的關(guān)系圖。

圖8是壓電陶瓷片和金屬基體的長度比與產(chǎn)生電壓的關(guān)系圖。

圖9是壓電陶瓷片和金屬基體的厚度比與產(chǎn)生電壓的關(guān)系圖。

圖10是壓電振子的長度與其一階固有頻率的關(guān)系圖。

圖11是壓電振子的厚度與其一階固有頻率的關(guān)系圖。

圖12是壓電振子的質(zhì)量塊與其一階固有頻率的關(guān)系圖。

圖13是壓電振子的振動(dòng)頻率下與其產(chǎn)生電壓的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明方法的流程見圖1，方法中采用的矩形懸臂梁壓電振子如圖2所示，通常由壓電陶瓷片5、金屬基體4和質(zhì)量塊1組成，固定在基座2上，壓電陶瓷片5的極化方向?yàn)榧^3所示。為了產(chǎn)生更大的電量，將兩片壓電陶瓷片5按相同極化方向進(jìn)行并聯(lián)，對稱粘貼在金屬基體4兩側(cè)。質(zhì)量塊1粘貼壓電振子的自由端，以調(diào)節(jié)其固有頻率。本發(fā)明中的壓電陶瓷片5選用PZT-5H，金屬基體4選用鎳合金，質(zhì)量塊1選用鑄鐵。

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明方法(以下操作步驟均在Ansys軟件中進(jìn)行)。

步驟一：建立矩形懸臂梁壓電振子的有限元模型

有限元建模中，涉及設(shè)置壓電振子的幾何模型，設(shè)置材料屬性和單元類型，以及其材料、單元類型、網(wǎng)格劃分方式、邊界條件和電壓耦合約束。