新型多層懸臂梁壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能研究.pdf

1、自然環(huán)境中的振動能量無處不在，如何利用環(huán)境中的振動能量，并將環(huán)境中流失的振動能收集起來，為無線傳感器等小型電子設(shè)備供電，從而替代或減少外部電源及充電電池的使用，在過去十年中吸引了來自機械、電子、土木和材料科學等不同工程領(lǐng)域的研究人員的廣泛關(guān)注。目前，懸臂梁式壓電發(fā)電裝置是最為常用的振動式能量收集器，主要通過壓電陶瓷片的壓電正效應(yīng)，將振動能轉(zhuǎn)成電能。由于該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，不會向環(huán)境中排放有毒有害物質(zhì)，限制條件較少等優(yōu)點，已經(jīng)成

2、為一種新型的節(jié)能環(huán)保發(fā)電裝置。
　　本研究提出了一種新型的多層懸臂梁壓電發(fā)電裝置，改進了傳統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)中懸臂梁組件和質(zhì)量塊組件這兩部分的組成方式，以解決傳統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)中各層發(fā)電量不均勻及質(zhì)量塊連接等問題，并可進一步提高壓電發(fā)電裝置的發(fā)電能力。本文主要研究該新型多層懸臂梁壓電發(fā)電裝置中每個壓電雙晶懸臂梁的發(fā)電性能，對其進行了理論分析，包括諧振頻率的求解和能量的轉(zhuǎn)換計算。分別建立了在自由端外力及基座激勵作用下壓電懸臂梁的輸出電壓和壓電等效

3、電路理論模型，用來分析不同激勵條件下壓電雙晶梁的開路輸出電壓和輸出功率。基于ANSYS12.0有限元軟件，建立了三層懸臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元模型，對裝置進行了靜力分析和模態(tài)分析。整體的有限元分析結(jié)果證實該多層發(fā)電裝置每一層的應(yīng)力和變形規(guī)律基本一致，符合懸臂梁結(jié)構(gòu)的典型特征。在此基礎(chǔ)上，建立了單層懸臂梁的壓電耦合有限元模型，分析了每一層懸臂梁模型的固定端（基座）在承受外界激勵載荷作用時的電壓分布和電壓響應(yīng)曲線。制作了三層壓電發(fā)電裝置，并

4、搭建試驗平臺對裝置的應(yīng)力、固有頻率和開路輸出電壓進行了實驗測試，以及對發(fā)電裝置進行了模態(tài)分析和動態(tài)發(fā)電特性分析。實驗測量結(jié)果表明，多層壓電發(fā)電裝置中的每一個壓電懸臂梁都與相同尺寸和材料的經(jīng)典壓電懸臂梁具有一致的輸出電壓及固有頻率。最后對壓電發(fā)電裝置在振動模式下進行了模態(tài)測試及發(fā)電電壓的測量，得到壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)的固有頻率及發(fā)電電壓情況，將實驗測試結(jié)果、理論計算結(jié)果以及有限元仿真結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)三者基本吻合，從而驗證了理論模型和有限元模