考虑疲劳寿命的压电悬臂梁结构优化设计方法

提出了一种插入式的压电悬臂梁结构,通过将其末端质量块转化成等效惯性力和惯性力矩,得出了求解其固有频率的理论公式。在此基础上,设计了一系列一阶固有频率相同、长宽比不同的压电悬臂梁。通过ANSYS模态分析发现,理论计算和仿真结果的误差均在5%以内,证明了这种求解压电悬臂梁固有频率方法的可行性。通过瞬态分析得出,随着长宽比的增大,压电悬臂梁的输出电压及压电层的最大应力随长宽比呈近似线性关系增大,这种线性关系对于压电悬臂梁的性能预测很有意义。最后通过疲劳分析软件nCode DesignLife,求解出了各压电悬臂梁的疲劳寿命,并以此为依据,选取了最优的结构设计方案。为压电悬臂梁的结构优化设计建立了一种新的、相对完整的方法。     

基于Si弹性层优化的悬臂梁式微压电驱动器

基于压电材料的逆压电效应,设计并制备了悬臂梁式微压电驱动器,通过电能到机械能的转换,完成装置的位移输出任务.基于悬臂梁式微压电驱动器的设计和仿真,得出该微驱动器Si弹性层的最佳厚度为0.12 mm,仿真结果显示压电层与弹性层厚度比为2～3时,尖端位移输出较大,并模拟了其电压-位移输出情况.采用共晶键合的工艺制备了以PZ...     

旋转轮胎中压电悬臂梁离心距优化

针对压电悬臂梁在低频区域内响应较差的问题,该文基于自调节随机共振提出了一种在旋转轮胎中优化悬臂梁末端磁铁离心距的方法。首先分析推导出了末端磁铁的动力学方程,然后以Kramers逃逸速率为基础,建立了自调节随机共振频率与旋转频率的优化函数,得到最优离心距匹配机理,最后运用最优离心距匹配机理得到最优离心距,并比较了不同离心距下压电悬臂梁的位移、速度和电压响应。结果表明,当离心距达到优化值时,在某一频率范围内,随机共振频率随着旋转频率可持续产生共振现象,其有效响应频带扩展至30~50 rad/s,拓宽频带比约40%,有效提升了能量俘获性能。     

基于分块压电悬臂梁的压电地板单元研制

为了提高压电地板的发电功率,将压电圆盘或正方形压电结构分块成悬臂梁。有限元静态分析表明,当承重和材料体积相近时,三角形分块的输出功率分别是方形分块和压电圆盘的20倍、7倍;对比分析了顶角为60°、90°、120°的三角形悬臂梁压电地板单元的发电性能,发现减薄压电片和基板厚度使踩踏位移相同时,3种压电地板单元的输出功率相同;若压电片和基板厚度相同,顶角为60°的三角形分块压电地板单元输出功率最大。用6个60°三角形压电悬臂梁制作压电地板单元,以手按压,可轮流点亮两个发光二极管。     

硅基压电悬臂梁式微麦克风的设计与优化

设计了一种硅基PZT压电悬臂梁式微麦克风。这种微麦克风采用压电多层膜悬臂梁作为声压感受器件，采用有限元耦合场分析的方法对压电复合膜悬臂梁进行了有限元分析和模拟，研究了压电复合多层膜悬臂梁的结构参数与力学性能的关系，分析了影响微麦克风机电性能的多种因素，给出了优化的器件结构和工艺流程。     

硅基压电悬臂梁式微麦克风的设计与优化

设计了一种硅基PZT压电悬臂梁式微麦克风。这种微麦克风采用压电多层膜悬臂梁作为声压感受器件,采用有限元耦合场分析的方法对压电复合膜悬臂梁进行了有限元分析和模拟,研究了压电复合多层膜悬臂梁的结构参数与力学性能的关系,分析了影响微麦克风机电性能的多种因素,给出了优化的器件结构和工艺流程。     

单晶压电振子结构二维优化设计

为优化单晶压电振子结构,提高其在特定工作环境要求下的能量转化效率,建立了输出电荷量的振子形状函数的理论模型。综合考虑发电效能、工作面积、结构体积及紧凑度在实际应用中的重要度,通过对各个因子的无量纲化处理,建立了单晶压电振子的评价函数。以某特定风动能环境下的风力压电发电机为例,对压电振子进行了二维优化设计,理论计算结果表明,相比于等截面矩形悬臂梁式压电振子,优化结构的发电量提高了51.8%,工作面积及结构体积分别减小了11.75%,30.41%。与一维优化的梯形压电振子相比,综合性能也有一定提高。但利用有限元软件对优化压电振子进行振型分析发现,其固有频率相比于矩形振子有所提高,使得在较低振动频率环境中的应用受到一定限制。     

硅基PZT压电驱动微开关的设计和优化

采用压电多层微悬臂梁理论分析模型，研究了一种新型PZT压电复合多层膜微悬臂梁驱动微开关的机械性能，提出了一种新的硅基PZT压电复合多层薄膜微悬臂梁驱动微开关的制作方法。利用有限元分析软件ANSYS7.O对微悬臂梁结构进行了模态分析，探讨了结构参数与微悬臂梁运动特性的关系及影响压电薄膜微开关性能的因素，进一步模拟了0．3V工作电压下微开关的位移。结果表明，经优化后的压电薄膜微开关可进一步应用到集成化芯片系统中。     

面向负载功率的压电悬臂梁研究

基于电路负载阻抗匹配原理,为最大程度利用压电悬臂梁发电装置收集环境振动能量,保证压电悬臂梁外接负载能够正常工作,需要研究压电悬臂梁结构参数对其最佳输出功率以及相对应外接负载匹配阻值的影响。该文通过压电电路分析,研究了基板和压电陶瓷片的长度、厚度、宽度和质量块质量对压电悬臂梁最佳输出功率以及相对应负载匹配阻值的影响。结果表明,一定范围内,增加基板长度、压电陶瓷片厚度、质量块质量可以增加压电悬臂梁外接负载匹配阻值,增加基板厚度、压电陶瓷片长和宽可降低压电悬臂梁外接负载匹配阻值;随着基板长度、压电陶瓷片宽和长、质量块质量的增加,压电悬臂梁最佳输出功率得到显著提高,基板宽度对压电悬臂梁最佳输出功率基本无影响,增加压电陶瓷片的厚度,压电悬臂梁最佳输出功率先增加后降低,存在一个最佳输出功率。     

基于PZT的压电触觉传感器的研究进展

锆钛酸铅(PZT)具有灵敏度高,响应速度快及压电常数大等优点,已被广泛应用于触觉传感器及超声换能器等领域。该文首先对基于PZT的触觉传感器的原理及制作工艺进行了阐述,再从材料优化、结构优化、柔弹性优化和可扩展性优化4个方面概述了PZT触觉传感器的研究进展,讨论了其在运动检测、医疗健康和人机交互领域的实际应用,最后对PZT触觉传感器的不足和未来发展趋势进行了分析。     

压电悬臂梁发电机能量转换效率研究

为提高车轮轮毂振动下的压电悬臂梁发电机能量转换效率,根据哈密顿原理建立了发电机能量转换效率模型,利用数值模拟和试验分析的方法研究了发电机结构尺寸和材料特性对其能量转换效率的影响规律。研究表明,金属基板过厚或太薄、杨氏模量太小都不利于提高发电机的能量转换效率。在金属基板材料不同时,存在一个最佳厚度比(金属基板与总厚度之比)使发电机能量转换效率最高,铜、铝、钼3种金属基板材料的发电机最佳厚度比分别为0.67、0.72、0.45;在相同厚度比(0.5)条件下,钼基板的发电机能量转换效率较高,随着杨氏模量比(金属基板的杨氏模量与陶瓷的杨氏模量之比)的增大,发电机能量转换效率增高,但当杨氏模量比大于4时,发电机的能量转换效率变化不明显。     

考虑几何非线性时双稳态压电悬臂梁响应分析

针对双稳态压电振子产生大挠度振动现象,利用哈密顿原理建立了其大变形动力学方程,再用Galerkin法将其离散为模态坐标方程。对无量纲化方程进行数值分析可知:在激励一定下,存在最优阻抗使输出功率最大;在相同的激励水平下,大幅周期运动发电能力优于大幅混沌运动;通过对比发现几何非线性使系统产生更多的混沌窗口,改变梁长可使系统处在大幅周期运动中,从而提升压电发电能力。     

压电悬臂梁振动模糊滑模控制

针对压电悬臂梁的振动问题,该文提出了一种模糊滑模主动控制策略,以在抑制悬臂梁振动的基础上减小抖振。根据均质梁单元和压电梁单元运动方程引入状态向量,建立了压电悬臂梁的状态空间方程。通过平衡截断法对压电悬臂梁模型进行降阶,以提高计算效率,并以降阶模型为对象设计了模糊滑模控制器。运用模糊规则调节切换增益,饱和函数替换符号函数,有效地减小了滑模控制的抖振现象,利用Lyapunov函数证明其稳定性。结果表明,基于饱和函数的模糊滑模控制不仅能控制压电悬臂梁的振动,还能降低抖振现象。     

一种螺旋悬臂梁结构压电能量收集器

提出了一种螺旋悬臂梁结构的可植入式压电能量收集器,这种结构的能量收集器可为植入式医疗器件供电。螺旋结构的设计一方面可以使悬臂梁从多个方向的振动中吸收能量,另一方面还可以降低谐振频率。提出的悬臂梁整体结构厚度为40 μm,宽度为1 mm,整体外部大小为 9 mm×9 mm。该结构中,悬臂梁的末端附上质量块,进一步降低悬臂梁的谐振频率。该收集器的谐振频率为66 Hz,当施加的激励为1g加速度时,输出开路电压为2.2 V,输出功率为4.8 μW。     

悬臂梁压电式能量收集器频带扩展研究

为了扩宽悬臂梁压电式能量收集器的工作频带,提出了一种新型的电学连接方案.通过将悬臂梁表面电极分为两个对称区域,实现扭转模态下正负电荷的有效收集.对悬臂梁的结构尺寸进行优化,使弯曲模态接近扭转模态的谐振频率,以扩宽压电式能量收集器频带.根据Erturk的分布参数机电模型,研究了两种模态下的输出电压与固有频率.研究结构表明...     

压电元件在悬臂梁多模态振动控制中的应用

基于压电元件的被动控制技术正得到越来越多的重视。该文以悬臂梁为受控结构,深入研究和探讨了RLC电路在多模态振动中控制的应用。具体分析了压电片的最佳粘贴位置和模拟电感的实现等问题,最后给出了串、并联形式的RLC电路在悬臂梁减振应用中的实验结果。     

一种基于MEMS的新型镂空压电悬臂梁能量采集器

在经典的矩形悬臂梁结构基础上进行改进,设计了一种新型的基板与压电膜镂空的微悬臂梁能量采集器。在悬臂梁基板与压电膜上添加镂空,分析其结构尺寸(即镂空的长度、宽度、厚度以及数量)与压电振子固有频率和开路输出电压之间的关系,并通过调节其结构尺寸,使压电能量采集器具有更低的振动频率与更高的开路输出电压。实验结果表明,在镂空长度为200 μm,宽度为165 μm,数量为12时,该结构振子的固有频率可达到399.7 Hz,开路输出电压可达0.271 V。     

变截面悬臂梁压电俘能器动力学特性分析

提出一种变截面悬臂梁压电俘能器结构,通过有限元仿真分析其振动特性和输出电压,有利于提高发电性能。该俘能器结构固定端为等截面梁,自由端为变截面梁,压电层粘贴在悬臂梁根部等截面梁表面,改变悬臂梁自由端与固定端的宽度比,得到多种不同形式的变截面悬臂梁。对比分析了三角形梁、矩形梁和具有不同宽度比梯形梁的固有频率、应力和应变分布及简谐激励输出电压响应。结果表明,三角形梁固有频率较大,输出电压最大,同时分析了不同变截面段长度对输出电压的影响。该文还分析了具有相同一阶频率、不同宽度比俘能器的输出电压,表明三角形结构单位体积压电层输出电压最大。对比分析了基体层上根部粘贴压电片和全部粘贴压电片的输出电压特性。结果表明,前者输出电压较大,发电性能更好。     

悬臂梁式压电振动能量收集系统输出功率的优化研究

针对环境振动能量较小、振动源频带较宽导致压电能量收集系统输出功率较低的问题,探究了悬臂梁式结构能量收集系统采用并联或串联电感优化统输出功率的方法和特性,分析了不同并、串联电感值对输出功率的影响.鉴于压电悬臂梁的工作频率较低,匹配电感值较大,采用无损模拟电感进行了实验验证.理论分析与实验结果均表明,在不同的激振频率下对应不同的匹配电感值,在偏离谐振频率附近也可获得与谐振状态几乎相同的最大输出功率,从而拓宽了工作频率,提高了压电振动能量收集系统的能量收集水平.当激振频率分别是谐振频率的0.8和1.2倍时,并联或串联电感获得的最大输出功率分别是无电感纯电阻负载的26.4倍和18.2倍.     

一种冲击式悬臂梁压电俘能器的设计与实验

为提高悬臂梁压电俘能器的俘能效率,提出了一种冲击式悬臂梁压电俘能器。该俘能器包括多个悬臂梁压电振子,可在风力、人体动力能及环境振动能等多种外载荷作用下产生电能。俘能器的核心部件是悬臂梁压电振子,通过冲击实验发现悬臂梁压电振子在周期性冲击载荷作用下拓宽了共振频率,同时提高了输出功率。测试结果显示在频率约为21Hz的方波冲击信号下,外接电阻为50kΩ时,单个悬臂压电俘能器最大输出功率可达0.28mW;当频率分别为5Hz、8.5Hz时,还可分别输出0.07mW和0.17mW的功率,俘能器出现多个峰值电功率。研究表明所设计的冲击式压电俘能器可有效提高俘能效率。