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鼓形俘能器的有限元分析

发布于:2017-07-11 21:39
有限元分析

      近年来,无论是在军事领域或在民用领域,无线电子器件均有迅猛发展。如何向微型化的微电子器件无线供能已成为当前研究的一个热点问题。对于向这类能耗小的微电子器件供能,一个有效的方法就是直接从器件的工作环境中俘获能量,而压电材料正是制造这种器件的最优选择。由压电材料制造成的压电发电装置具有结构简单,不发热,无电磁干扰,无污染,方便加工制作和实现机构的微小化、集成化等优点而引起广泛的关注,这类能无线俘能的压电发电装置称为压电俘能器。对cymbal形俘能器进行深入的研究,并进行实验,对于PZT直径为处9 mm,厚度为1 mm,在7.8 N循环外载下,俘获振动能39 MW。鼓形俘能器相对于cymbal俘能器结构更简单,且具有更高的机电藕合系数,俘能性能更好。本研究将对鼓形俘能器进行有限元分析仿真研究,首先建立了鼓形俘能器的有限元模型,再运用有限元仿真App对其进行了仿真分析,最后通过对仿真数据的分析得出了鼓形俘能器结构参数变化对其性能的影响,并在此基础上进行了俘能实验测试。
      俘能器受到外载荷作用或振动时,由于压电元件的正压电效应,在压电元件表面产生感应电压。在图的结构中施加载荷进行仿真分析,俘能器输出电压与施加力呈线性关系,随着外载荷的增大,输出电压逐渐增大。
      为了更好地引导实际的工艺加工,使俘能器性能达到最优。对俘能器结构参数变化及对感应电压、谐振频率的影响进行有限元模拟,在PZT中心处施加z向10 N的外载,被青铜厚度为0.2 mm。
      感应电压随着钢环内径的增大而增大,随着钢环厚度减小,感应电压略有增大,相对于钢环厚度的变化,感应电压对钢环内径的变化更显著。随着PZT直径的增大,感应电压减小,对于同一厚度的PZT,感应电压间的差异先增大后减小,最后趋于稳定,感应电压随着PZT厚度的增大而增大,且感应电压间的差异先减小,最后基本不变。
      俘能器的谐振频率随着钢环内径增大而减小,对于同一厚度钢环,振动频率间的差异先减小后基本不变;随着钢环厚度的增大,谐振频率逐渐增大,且谐振频率对钢环内径的变化更敏感。图为PZT直径、厚度与俘能器谐振频率的关系曲线,随着PZT直径的增大,俘能器的谐振频率逐渐增大,且频率间的差异基本不变;谐振频率随着PZT厚度增大而增大,对于同一直径的PZT,随PZT厚度变化谐振频率间的差异先增大后趋于稳定。在自然界中广泛存在低频振动能,为了使俘能器俘获更多的自然界振动能,应尽量降低俘能器的谐振频率,使俘能器工作在低频段。所以,为了提高俘能器的俘能性能,输出更大的感应电压,在符合加工工艺要求和其他特性的前提下,应尽量增大俘能器钢环内径,限制PZT的直径和厚度,而钢环的厚度对其性能影响较小。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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