壓電復合梁機電轉換特性及多模寬頻發(fā)電的研究.pdf

1、壓電材料由于具有機械形變與電場的耦合效應（簡稱機-電耦合），在智能結構中有著廣泛應用前景，被用來制作各種傳感、驅動及能量采集功能元器件。由于振動在工業(yè)生產生活環(huán)境中隨處可見，故轉換這些振動能為電能并采集加以利用、并為無線傳感器網絡節(jié)點等微功耗電子元器件供電，被認為是實現自治型無線節(jié)點很重要的一步。
　　本論文建立了壓電復合懸臂梁簡諧激勵下發(fā)電特性的解析表達式，并給出了其等效模型的分析方法，并首次給出了考慮壓電材料次級壓電效應的壓電

2、復合梁精確的解析解，包括輸出電荷、電壓及電阻抗等，為此類壓電發(fā)電器的準確設計提供了必要和有效的指導。提出了一種全新的多頻響應壓電振動發(fā)電器原型，它是基于折疊結構壓電振子前兩階模態(tài)振動實現振動能量轉換獲取電能，通過計算機有限元仿真技術進行了結構參數優(yōu)化，提出了制作方法，實驗中樣機首次成功實現了寬頻化振動能量轉換。本文的主要工作及結論包括:
　　一、采用與Jan G.Smits等研究者所用類似的方法推導得到了壓電/基體/壓電三層復合懸

3、臂梁在各種輸入（包括梁端部集中力、梁端部力矩、電壓）激勵下的輸出量（如梁的端部撓度，梁端部產生的轉角，以及壓電梁電極上產生的電荷）的動態(tài)輸出解析表達式。給出了考慮次級壓電效應的壓電復合梁壓電層本構關系，利用其推導得到壓電復合梁的抗彎剛度，它是對由材料力學中的轉換截面法推導得到的抗彎剛度表達式進行必要修正;再接著針對具有大機電耦合系數和壓電常數的新型壓電材料，我們進行了由其構成的壓電復合梁機電轉換特性分析并給出了相應的電導納表達式和諧振頻

4、率表達式，結果表明分析的準確程度得到提高，壓電材料的壓電常數和機電耦合系數越大，附加的應變或者附加的電位移對主壓電效應的改變程度就越大則次級壓電效應表現就越強。
　　二、推導了壓電復合懸臂梁動態(tài)特性解析式，并將其歸納為矩陣形式，其可用于分析懸臂壓電復合梁結構電學并聯、串聯的情況下的機電轉換特性，包括壓電復合懸臂梁在集中力、力矩、驅動電壓等激勵下的輸出，包括梁的端部撓度，梁端部產生的轉角，以及復合梁電極上產生的動態(tài)電荷的解析解。建立

5、了基于ANSYS的懸臂壓電復合梁有限元仿真方法及模型，仿真分析的數值解及這些解析解的分析結果具有良好的一致性，這些解析解便于揭示該結構機電轉換特性的物理本質，也可以作為該結構壓電梁數值解的驗證標準。
　　三、提出了一種全新的基于折疊結構的多頻響應的壓電振動發(fā)電器，該壓電發(fā)電器可以在前兩階模態(tài)振動下的較寬的頻率范圍內轉換振動能為電能。本文給出了兩種多頻響應的壓電振動發(fā)電器的設計步驟與方法，一是基于多懸臂壓電梁陣列，另外一種基于折疊結

6、構的壓電振動發(fā)電器原型設計。這些設計方案可用于解決典型的單懸臂梁壓電振子頻率響應范圍窄，當振源頻率偏離振子諧振頻率，壓電發(fā)電器無法有效完成能量轉換的問題。我們就提出的發(fā)電器原型建立了有限元計算模型，并詳細分析了這種全新的壓電振動發(fā)電器的特點，優(yōu)化了其結構尺寸的設計參數，給出了其前兩階振動模態(tài)的特點及壓電材料層部分的應力分布特點。提出了折疊結構的壓電發(fā)電振子的加工方法和制備工藝，制備了這種壓電振動發(fā)電器原型樣機，設計了測試系統(tǒng)平臺，測量了

7、發(fā)電特性及電功率輸出，實驗表明，該壓電振子在峰值加速度為0.7g情況下基礎振動掃頻激勵時，在120.9Hz附近達到功率輸出的極值，極值為6.64mW;在97Hz附近達到功率輸出的極值，極值為0.43mW;輸出功率超過20μW的頻率帶為88-177Hz，歸一化頻率帶寬(NFB)為74％。研究表明，提出的原型有望開發(fā)出將多頻振動輸入的機械振動能高效地轉換為電能的壓電發(fā)電器。
　　本論文在壓電振動發(fā)電的分析理論及其結構設計方面取得的成果