基于ANSYS压电悬臂梁发电性能研究

时间:2022-07-21 03:26:15

基于ANSYS压电悬臂梁发电性能研究

摘 要:文章利用有限元分析软件ANSYS,对某压电悬臂梁进行了分析,得到了压电悬臂梁发电能力与基体材料及几何尺寸间的关系,并依据分析结果对压电俘能器进行了结构优化,最后将优化结果进行了实际检验,得出了俘能器在共振环境下的电压及功率,为今后相关的工程设计提供了理论参考。

关键词:压电俘能器;压电材料;能量捕获;发电性能

中图分类号:TH6;TN384 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2016)29-0001-02

1 引 言

传统化学电池以自身独特优势,如成本低、供能方便等,一直以来深受市场的欢迎。但随着市场需求的发展,其缺点也逐渐显露出来,如电池寿命短,需经常更换;对环境污染较为严重,等。针对上述现象,传统电池已无法满足当今社会可持续发展的需求。

当今社会已步入网络时代,其微器件的数目也随着网络时代的发展变得越来越庞大,且某些元器件的位置由于结构复杂也变得难以触及,故其电池的更换就更不可能了。因此,微电子的无线供能已成为当今社会迫切解决的问题。结合微电子自身能耗小的特点,可直接在其工作环境(如温差、振动、噪声及太阳能等)中提取所需能量。在实际应用中,由于温差及太阳能供能技术受自然环境约束难以得到广泛应用,但噪声及振动可以说几乎无处不在,且能量密度较高,所以解决微电子产品能源供应的唯一方法就是如何通过电磁感应、静电和压电效应等技术,研制出一种俘能器,能直接从微电子器件工作环境中俘获振动能量并为其供能。目前,由压电材料制造而成的俘能装置,以结构简单、发热小、无污染等优势,备受社会关注。

对俘能装置的研究,国外已取得较多成果,而国内仍处于起步阶段,本文将对某压电俘能装置的结构进行分析研究,以便为相关工程研究提供理论参考。

2 压电俘能器有限元模型建立

对某型号压电俘能器进行有限元分析,建模的压电材料选取,基体材料选取弹性材料,如:铝等。

该类型俘能器发电装置的发电能力主要由基体材料及梁尺寸决定,这里主要是对梁尺寸及受力进行研究,以观察其对发电能力的影响。

通过ANSYS进行建模分析,基体选取,压电选用,所建的几何模型,如图1所示(压电片离端部10 mm)。

在用ANSYS进行分析时,首先选用铝材进行分析,基体选用单元来仿真,压电片选用单元来模拟。压电俘能器的几何模型和有限元模型如图1所示(压电片贴在距离端部的位置)。将上述模型以不同材料进行分析,材料属性,如表1所示。

在梁的端部施加的集中力,分析结果,如图2所示。从图中可以得出,在相同工况下,铝作为基体材料,俘能器产生的电压最强,铍青铜次之,碳素纤维第三。因此,实验应选取铝材作为基体材料。

通过分析基体不同尺寸对俘能装置的影响,得出结果如图3、图4、图5和图6所示。

从图3-图6可以得出:梁产生的电压与端部受力成正比,且处于线性关系;梁产生的电压与基体宽度成反比,且不成线性变化,即宽度增加电压下降;梁产生的电压与基体长度成正比,且不成线性变化。

3 压电俘能器模态与谐响应分析

利用有限元分析软件ANSYS进行上述静力学分析,得出了梁的材料及几何参数。这里将对压电俘能器进行模态分析,研究悬臂梁自由端质量块与俘能器固有频率间的关系,研究结果如图7和图8所示。

俘能器的能量源一般是外界环境的振动,而外界环境的振动频率一般为20 Hz以下,结合基体几何尺寸和材料对发电能力的影响,我们选择的俘能器的长、宽、高分别选择100 mm、10 mm、1 mm;压电的长、宽、高分别为10 mm、10 mm、1 mm;自由端的质量块的质量为5 g。

4 振动能量俘获试验

振动能量捕获实验台可以分为硬件和软件部分,硬件部分由激振系统、复合悬臂梁、传感单元和数据采集卡组成,软件部分主要是用Labview软件编程建立数据采集系统。

将压电悬臂梁在不同频率下进行工作,得出结果如图9和图10所示。从图中可以得出:当激振频率为14 Hz时,梁产生了共振现象,在共振状态下幅值电压可达10 V,输出功率可达。

5 结 语

本文通过有限元分析软件ANSYS,研究了不同基体材料及尺寸对俘能装置的影响,并讨论了质量块对俘能装置固有频率及发电能力的影响,最后确定了俘能装置的几何参数及材料,并通过实际检验,取得了较为理想的效果。

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