基于變密度法的壓電能量收集結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法研究.pdf

1、采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)壓電能量收集結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化，是指在一個(gè)特定的工作條件下，施加外力、振動(dòng)或其他一些約束，采用拓?fù)鋬?yōu)化算法對(duì)設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的材料分布進(jìn)行計(jì)算，在合適的地方放置材料，在不需要的地方取消材料。本文深入分析了國(guó)內(nèi)外拓?fù)鋬?yōu)化的研究現(xiàn)狀及其在壓電材料領(lǐng)域的應(yīng)用情況，針對(duì)現(xiàn)階段缺乏有效的方法指導(dǎo)壓電能量收集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、能量收集效率不高、復(fù)合材料壓電能量收集結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究不多、未考慮壓電能量收集結(jié)構(gòu)的可制造性等問(wèn)題，在前人工作的

2、基礎(chǔ)上，本文比較系統(tǒng)的研究了基于壓電能量收集結(jié)構(gòu)、最大化能量轉(zhuǎn)化效率的拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題建模、復(fù)合材料壓電能量收集結(jié)構(gòu)、模式重復(fù)約束下的單層壓電片能量收集結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。
　　首先，研究了二維四節(jié)點(diǎn)十二自由度壓電材料單元的有限元分析問(wèn)題，并在MATLAB中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，分析了基于這種有限單元、帶懲罰系數(shù)的各向同性壓電材料模型，并研究了懲罰系數(shù)選取的合理?xiàng)l件。建立了以能量轉(zhuǎn)換系數(shù)最大化為目標(biāo)的優(yōu)化模型，研究了目標(biāo)函數(shù)的敏度分析過(guò)程，并將移動(dòng)漸近

3、線法（MMA，Method of Moving Asymptotes）法應(yīng)用于該問(wèn)題的求解。
　　其次，研究了兩相材料壓電懸臂梁最大化能量轉(zhuǎn)換效率的拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，構(gòu)建了基于PEMAP-P（Piezoelectric Material with Penalization and Polarization）模型改進(jìn)的兩相材料壓電能量收集結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型，使用 MMA方法求解了該問(wèn)題。通過(guò)對(duì)算例結(jié)果的對(duì)比與分析，驗(yàn)證了所提方法用于指導(dǎo)兩