ANSYS的两自由度宽频压电能量收集装置性能分析

以两自由度宽频压电能量收集装置为研究对象,基于ANSYS对其进行有限元分析,将两自由度压电振子与单自由度压电振子和二元阵列压电振子进行对比.将这三种结构在相同的参数条件下进行模态分析以及谐响应分析,证明两自由度压电悬臂梁能起到拓宽频宽的作用.     

基于波纹梁的两自由度低频振动能量收集装置

为改善压电式振动能量收集装置固有频率高、能量收集效率低等问题,设计了一种基于波纹梁式压电振子的两自由度振动能量收集装置,并通过理论建模和数值仿真分析其能量收集特性。分析结果表明:与传统的单自由度和两自由度压电振子相比,含有波纹梁的压电振子的固有频率最低,且前五阶固有频率均为0~60Hz;其中,第四阶固有频率为45.92 Hz,比单自由度压电振子低419.9Hz,比传统两自由度压电振子低55.1Hz。同时,在相同条件下波纹梁式两自由度压电振子输出的电压最大,可达到28V。     

复合梯形压电悬臂梁能量收集器的特性研究

为了拓宽压电能量收集器的工作频带宽度并改善低幅值激励频率条件下的能量收集效率,本文将梯形悬臂梁应用到多悬臂梁压电能量收集器结构设计当中。依据梯形悬臂梁的尺寸及末端附加质量,通过双压电晶片与弹性基梁的等效化处理,计算和推导了系统的共振频率和传递函数,从而建立单梯形悬臂梁横向振动的数学模型,在此基础上分析推导了复合梯形压电能量收集系统模型。研究结果表明:复合梯形悬臂梁结构有效地拓宽了工作频带,更容易实现与环境振动频率的匹配共振从而提高发电效率。本文研究为优化多悬臂梁能量收集器的设计和应用具有重要的借鉴意义。     

悬臂梁压电振子频率调谐和发电能力研究

研究了一种带末端质量块的悬臂梁压电振子的频率调谐能力。理论分析了悬臂梁压电振子的结构尺寸对压电振子谐振频率和发电能力的影响关系,并分别对长度调谐和质量调谐前后的压电振子发电能力进行实验测试和对比分析。结果表明,增加悬臂长度或末端质量可以降低压电振子的谐振频率,减少悬臂长度或末端质量可以提高压电振子的谐振频率,但为达到更好的发电效果,降频调谐时,应该采用质量调谐法提高压电振子的输出功率,而升频调谐时．应该采用长度调谐法提高压电振子的输出功率．     

阵列式压电磁耦合能量收集器的建模与仿真分析

压电能量收集器可以使得无线传感器实现自供能,为了提高压电能量收集器的输出功率,设计了一种新型阵列式压电磁耦合能量收集器,该收集器将悬臂梁阵列式排布,并在系统中引入非线性磁力,然后建立其机电耦合模型,对模型进行数值仿真分析,通过改变激励幅值和激励频率等参数,研究其发电性能,结果表明:阵列式压电磁耦合能量收集器能够有效提高输出功率。     

车载压电悬臂梁结构参数对其发电量的影响

为了研究车载环境下压电悬臂梁的结构参数变化对压电振子发电量的影响,根据压电方程建立了压电悬臂梁的等效模型,仿真分析了各结构参数对悬臂梁压电装置的固有频率和输出电压的影响规律。研究结果表明,适当增大悬臂梁自由端质量块的质量和悬臂梁的长度,减少悬臂梁的宽度和中间金属层的厚度,可使压电悬臂梁的固有频率降低,接近环境振动频率,从而使输出电压增加,提高压电装置的发电能力。     

MFC俘能器振动发电模型及负载特性研究

传统压电俘能器陶瓷层易碎,无法满足低功耗无线传感网络节点长时间供电要求。现采用柔韧性更好,使用寿命更长的压电纤维复合材料MFC作为压电俘能器。参照压电陶瓷振子的振动发电模型,建立了悬臂梁式MFC俘能器的振动发电模型,得出影响输出功率以及能量转换效率的各种因素,研究MFC的输出功率、能量转换效率与负载之间的关系。负载特性实验表明,该模型理论值和实验值虽存在一定误差,但能够较为准确揭示MFC输出功率、能量转换效率与负载之间的变化规律。     

阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器的低频振动性能分析

提出了一种二级阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器,利用传递矩阵法和有限元仿真分析了结构振动的固有频率,研究了压电悬臂梁的几何参数对固有频率的影响,并将计算结果进行对比,得到了很好的一致性.最后,仿真得到了这种俘能器的输出电压频响曲线.研究结果表明,与传统的等厚度悬臂梁压电俘能器相比,所设计的阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器具有优异的低频特性,通过改变几何参数可以有效调控俘能器的共振频率,使其接近环境的振动频率,从而使得输出电压达到最高.研究结果可为采集环境中的低频振动能量,实现低功耗微电子元器件的自供电提供设计的理论依据.     

矩形压电振子式主动阀压电泵的设计及其性能

根据压电泵的工作原理,基于两端夹持式主动阀开发了矩形压电振子式主动阀压电泵,对其结构及工作原理进行了说明。计算了其理论流量,剖析了流量的影响因素。通过试验研究得出:泵在工作时阀腔压电振子与泵腔压电振子之间的最佳相位差是70°和250°。测试了阀腔压电振子在不同电压、频率驱动信号作用下压电泵的输出特性。同时,对主动阀压电泵的双向泵送能力进行了比较分析。实验结果表明:与正弦波相比,方波作为矩形压电振子主动阀的控制信号时,流量相对比较大。频率为70Hz时,最大流量为140mL/min;在高频情况下,矩形压电双晶片式主动阀压电泵的流量保持较好,圆形压电振子式主动阀压电泵的流量下降明显。     

悬臂式压电振子宽频发电装置设计及测试

为了提高压电材料的发电量和发电效率,设计了一种悬臂式压电振子宽频发电装置.首先,对单个压电振子进行电压输出和相频特性分析,得出影响电压输出的影响因素.然后,对双压电振子整流后串/并联进行电压输出特性分析,当两压电振子串/并联整流后,输出的电压为两个压电振子输出电压的较大值且频宽增大.最后,对4个压电振子进行发电实验测试.结果 表明,当输出电压为30 V时,单个压电振子的有效发电频宽约为10 Hz左右,经整流后串/并联的4个压电振子串联有效发电频率为44.5～121.3 Hz,宽度约为77 Hz,有效提高了发电频宽,该装置可应用在狭窄空间自适应供电.     

Study on power generations and dynamic responses of the bistable straight beam and the bistable L-shaped beam

In this paper, a simplified model of the bistable piezoelectric cantilever beam with magnets is established, and the potential energy of the bistable system is analyzed. We have proposed the bistable L-shaped beam structure, which has the same geometry dimensions of the bistable straight beam in the first time. The comparative study on power generations and dynamic responses of the bistable straight beam and the bistable L-shaped beam plays an important role in exploring excellent piezoelectric generator.The experiment structure includes the base layer and the piezoelectric layer. The harmonic excitation is given to the system.Theoretical analysis results show that the potential energy function of the system has two obvious steady potential wells. In addition, the depth of the upper potential well is different from that of the lower potential well when the gravity potential energy is considered. Experimental results demonstrate that the power generation for the straight beam is better than that of the horizontally placed L-shaped beam when the excitation amplitude is 450 m V. There is the existence that the energy harvesting capacity of the bistable L-shaped beam is better than that of the bistable straight beam when the excitation amplitude is 400 m V.Furthermore, the power generation of the bistable L-shaped beam with the upper potential well is obviously better than that of the bistable L-shaped beam with the lower potential well. In addition, comparing with the straight beam, the dynamic response of the bistable L-shaped beam is more complex when the external excitation frequency is changed. It is also observed that the distance between the magnets has the obvious influence on the dynamic response of the bistable system. It is very effective to select the appropriate distance between the magnets to improve the power generation of the bistable energy harvester under the fixed excitation conditions.     

Low frequency wide bandwidth MEMS energy harvester based on spiral-shaped PVDF cantilever

In this paper,a piezoelectric energy harvester based on spiral-shaped polyvinylidene fluoride(PVDF)cantilever is designed and fabricated for harvesting low frequency vibration energy in the environment.In this design,the spiral-shaped PVDF cantilever is major for lowering the resonant frequency by increasing the length of the cantilever;Copper and silicon proof masses on both sides are working on further decreasing the resonant frequency and widen its bandwidth.Due to the high flexibility of the PVDF cantilever,this device is extremely sensitive to vibration and can harvest weak vibration energy.Both simulation and experimental results have approved that this device can operate at very low frequency which is about 20 Hz and can effectively harvest energy from 15–50 Hz.The peak of the output voltage can reach 1.8 V with the acceleration of 0.2 g.This is a promising harvester for powering the wireless sensors in the future.     

PLZT/PVDF层合柔性悬臂梁的驱动特性

为了实现光驱动柔性悬臂梁结构同时具备远程可控和快速驱动的特性,提出基于0-1极化的光电陶瓷PLZT与压电薄膜PVDF的光电/压电复合驱动柔性梁结构,研究该结构的驱动特性.在PLZT/PVDF复合驱动器数学模型的基础上,构建PLZT/PVDF层合柔性悬臂梁的数学模型.对PLZT/PVDF层合柔性悬臂梁驱动特性的影响因素进行理论分析,简化层合悬臂梁的挠度方程.通过实验对PLZT/PVDF层合柔性悬臂梁的数学模型进行参数识别,给出层合梁挠度幅值变化的理论曲线.实验显示,理论值与实验值的相对误差小于4%,表明利用所构建的PLZT/PVDF层合柔性悬臂梁数学模型能够较准确地反映层合柔性悬臂梁的驱动特性.结果表明,随着PVDF长度的增加,层合悬臂梁挠度幅值先增大后减小;层合悬臂梁挠度幅值随着PVDF厚度的增加而增大.     

双晶压电悬臂梁电荷输出特性实验研究

通过研究压电材料的压电效应与压电方程组,得到正压电效应下的压电能量采集相关知识,并分析双晶压电悬臂梁的结构与特性,结合实验与仿真,得出并联型双晶压电悬臂梁的相关输出特性。     

钢-混凝土组合扁梁受力性能的有限元分析

钢-混凝土组合扁梁是将钢梁内嵌于混凝土之中的新型组合梁，它能最大限度地降低结构的高度，形成类似”无梁楼盖”的结构体系，已在住宅钢结构中推广应用，其承载性能和设计方法研究引起了结构工程界的关注．本采用通用有限元程序ANSYS研究了组合扁梁的承栽力问题，通过建模计算了简支组合扁梁、悬臂组合扁梁和框架组合扁梁的承载力和变形特征，得到了相应的荷栽-位移过程曲线，并与组合扁梁的试验结果进行了比较，验证了计算结果的正确性．     

双悬臂式压电振动给料器设计与性能分析

现代化的自动装配对物料输送的平稳性和精确性提出了更高的要求,为了满足工业需求,设计了一种采用矩形压电振子作为激振源、以垂直驱动方式工作的压电振动给料器。通过对双悬臂式压电振动给料器进行简化,并建立其动力学模型,推导出固有频率以及装置振幅的表达式,分析了影响固有频率和振幅的因素。利用ANSYS Workbench软件对装置进行动力学分析,系统固有频率为118.85 Hz,并对装置进行了谐响应分析。结果表明,当驱动电压为200 V时,系统驱动频率为116.00～122.00 Hz,双悬臂式压电振动给料器具备输送物料能力,在最靠近共振点处（118.00 Hz）振动幅值最大,输送效率最高,满足工业生产的使用要求。     

悬臂梁单晶压电发电振子电压输出特性的有限元仿真分析

为了解决化学电池为低功耗电子产品供电中存在的问题,对悬臂梁单晶压电发电振子的电压输出特性进行了分析。根据欧拉伯努利方程和压电学理论,建立了悬臂梁式压电发电振子的电压输出特性数学模型,并对压电振子长度、金属基板与压电晶体的长度比,以及金属基板材料对悬臂梁压电发电振子的电压输出特性进行了有限元仿真分析。结果表明：所建立的数学模型与仿真分析结果基本一致;晶体板与金属基板的长度比存在一个最佳值,使得压电振子的输出电压达到最大,且随着金属基板弹性模量的减小,压电振子的输出电压逐渐减小;当金属基板分别为不锈钢、硅、磷青铜和铝合金时,晶体板与各金属基板的最佳长度比分别为0.60,0.65,0.70,0.75。     

单层单跨组合梁钢框架刚度的分析

为研究竖向荷载作用下单层单跨组合梁钢框架的刚度,将组合梁钢框架中的梁简化为阶梯形变截面梁,进行参数确定;应用试验值验证ANSYS有限元程序分析组合梁钢框架的可行性,利用此程序进行组合梁钢框架的非线性分析,确定了组合梁钢框架在竖向荷载作用下的负弯矩区长度参数,从而建立了该组合梁刚度计算模型.采用等效原理,确定出竖向荷载作用下单层单跨组合梁钢框架的等效刚度计算公式,给出工程设计时刚度取值的建议,并与有限元分析结果进行了对比.结果表明:理论分析和推导与ANSYS有限元分析结果吻合很好.     

复杂边界条件轴向功能梯度梁动力学分析

为分析复杂边界条件及截面属性对轴向功能梯度梁动力学特性的影响,采用Gauss-Lobatto节点与Chebyshev多项式对变截面轴向功能梯度梁变形场进行离散,利用Chebyshev谱方法和Lagrange方程推导了系统的离散控制方程,通过投影矩阵法施加经典及弹性连接边界条件,分析了材料梯度指数、截面变化率、弹性支撑边界条件、末端集中质量等因素对系统固有频率的影响.结果表明:截面变化率和材料梯度指数对固有频率的影响因边界条件不同而不同;悬臂梁的前一阶量纲一的固有频率随着截面变化率的增大而增大,其他情况下则随截面变化率的增大而减小;悬臂梁的一阶固有频率随材料梯度指数先增大后逐渐减小,而其余各阶频率均显示出增大的趋势,而两端固支梁的前两阶频率呈现减小趋势,后两阶频率则显示出增大的趋势;两端简支梁各阶固有频率皆随材料梯度指数增大而增大;随着弹性支承刚度的增大各阶固有频率均呈阶梯状增大,但当弹性支撑刚度较小时,旋转弹簧相较线性弹簧对系统固有频率影响更大;末端附加质量将使固有频率减小且对高阶固有频率的影响更大.