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。     

含槽变截面悬臂式压电俘能器性能研究

为了俘获更大的能量,提出了一种含槽变截面悬臂式压电俘能器。首先,梁形式采用给定的指数函数进行变化,并且在内部挖槽;其次,推导对应的振动方程,参考相关文献确定振型表达式,进而写出相应的特征方程,推导出电压和输出功率表达式,并根据电压和输出功率确定最优指数。结果表明,在保持梁长度不变的前提下,锥形梁的弯曲程度系数越大,则输出电压及功率越大,但系统的特征频率也将变大。     

等强度压电复合悬臂梁的理论建模与数值仿真

通过理论分析和数值模拟验证了三角形压电复合悬臂梁的等强度假设,并推导了三角形压电复合悬臂梁准静态电压输出理论表达式。采用ANSYS 11.0对三角形压电复合悬臂梁的模态特性进行了分析,确定了层合厚度比对其固有频率的影响规律,对比了采用不同基底材料的压电梁电压输出理论值和模拟值。理论和模拟结果表明三角型压电复合悬臂梁在最优层合厚度比下的最大电压输出约为5V,其谐振频率约为62Hz。     

基于压电陶瓷的等变厚度悬臂梁特性研究

以等、变厚度悬臂梁为研究对象,以单轴向玻璃纤维为基体材料结合压电陶瓷片设计出智能悬臂梁模型。利用数值模拟与实验相结合的方法分析了压电陶瓷片对悬臂梁模态频率、自由端最大位移及应变分布的影响。结果表明,未加电压情况下,增加压电陶瓷铺设数目能有效增大悬臂梁固有频率,减小自由端最大位移,但对应变分布无显著影响;施加电压时,可进一步减小悬臂梁自由端最大位移,亦可减小各监测点应变值。     

压电微悬臂梁共振频率的检测系统

介绍了一种压电微悬臂梁共振频率检测系统.压电材料沉积在微悬臂梁上,在压电层的上下电极之间施加交变电压使其振动,当微悬臂梁的振动频率等于它的固有频率时,发生共振,此时微悬臂梁的振幅最大.结合所设计的激励电路以及微悬臂梁共振频率检测电路,对压电微悬臂梁进行了检测实验.实验结果表明,放大电路能够检测出压电微臂梁的共振频率,并且压电微悬臂梁达到共振时,共振频率附近振幅远大于其他频率对应的振幅,振幅最大值接近600 nm.     

变负载压电悬臂梁共振频移量研究

基于Euler-Bernoulli梁原理研究了铝基双晶串联压电悬臂梁电压频响和短路-开路共振频移量问题。以悬臂梁总厚度和压电陶瓷厚度为影响参数,首先推导了输出电压的单/多模态解,再以单模态解为基础,分析了不同厚度压电悬臂梁短路-开路共振频移量。研究结果表明,与多模态解相比,单模态解的估计性良好,且计算简便。在任意变负载区间内,存在最劣压电陶瓷厚度,使短路-开路共振频移量最大。因此,在进行压电悬臂梁结构设计时,应尽量避开最劣点,使外部负载具有最佳适应性,提高能量回收效率。     

悬臂梁式压电振动能量收集器的疲劳分析

建立了悬臂梁式压电振动能量收集器的有限元模型,通过模态分析求解了其一阶固有频率,并通过实验验证了求解结果的准确性。对所建立的有限元模型进行静态分析后将静态分析的结果导入ANSYS nCode DesignLife中进行疲劳分析,结果表明,随着激励位移幅值的增大,压电层的应变与其成线性关系增大,而疲劳寿命迅速缩短,当激励位移增大1倍时,疲劳寿命缩短了284倍。因此在实际应用中,要综合考虑压电悬臂梁的输出电压及压电陶瓷层的疲劳寿命,才能实现最大的电能输出。     

基于光纤光栅的等截面悬臂梁固有频率研究

介绍了一种基于光纤传感技术的等截面悬臂梁固有频率的测量方法,并采用理论计算和软件仿真对其进行了验证.首先,理论推导了粘贴于悬臂梁表面的光栅中心波长与其所在位置处挠度的关系;然后,根据分析结果,搭建了实验测量系统,该实验采用高温火焰烧断连接线的方法产生一个初始的阶跃信号,测量结果为20.093Hz;接着,采用里兹法对梁固有频率进行理论计算,结果为20.311Hz;最后,利用ANSYS软件对悬臂梁进行模态分析,得到梁的一阶模态为20.44Hz.实验测量结果与理论计算、有限元仿真结果十分接近,证明了该方法是正确、可行的,为悬臂梁固有频率的获取提供了新思路.     

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。     

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。     

悬臂式压电能量采集器模型修正

该文以悬臂式压电能量采集器为研究对象,针对Erturk推导的分布参数模型速度频率响应函数（VFF）仿真时发现在0~20 Hz时存在偏差问题,提出了VFF修正方法。首先介绍了含集中质量块的分布参数模型的VFF推导过程;然后通过0~20 Hz内的仿真分析,发现出现较大误差的原因是VFF表达式的第一项,因此,引入含参数α的正弦函数来减小误差。考虑到正弦函数的引入又将导致第二项产生误差,在第二项中引入含参数β的正切函数来减小误差;最后通过误差分析确定参数α、β的最优取值范围,并进行实例分析。结果表明,修正后分布参数模型下的速度频率响应与实验结果吻合。     

梯形悬臂梁结构能量收集器的设计与研究

传统矩形悬臂梁上的应力呈非均匀分布,在梁固定端存在一个应力集中区,且沿轴向方向衰减,从而影响压电层的极化效果。同时,矩形悬臂梁结构能量收集器的谐振频率较高。为解决这一问题,文章提出了一种“倒”梯形结构的能量收集器结构。该梯形结构可以有效扩展极化区域,从而捕获到更低频的振动能量。实验发现,在1g振动加速度下,该能量收集器在124 Hz下输出电压为404 mV,输出功率达到41.3 μW。     

基于Hamilton原理的压电悬臂梁模型建立与分析

根据哈密顿(Hamilton)原理建立了压电悬臂梁(压电梁)能量转换模型,利用数值模拟和实验测试的方法研究了压电梁在固定端受到位移激励时结构尺寸、材料特性和激振频率等对其发电能力的影响规律。研究表明,当基板材料相同时,单、双晶压电梁均存在最佳厚度比(基板/总厚)使其输出电能最多;当基板材料不同时,最佳厚度比随杨氏模量比(基板/陶瓷)增加而减小,铜、钼基板构成的单、双晶压电梁的最佳厚度比分别为(0.7,0.35)和(0.45,0.2);当厚度比(0.5)和激励条件相同时,杨氏模量比对单、双晶压电梁发电能力影响不同;调整单、双晶压电梁自由端质量块使其工作在谐振状态,可显著提高压电梁的发电能力。     

压电悬臂梁俘能器输出特性仿真分析

为了研究压电俘能器的振动频率、内阻抗、负载及输出功率之间的耦合关系,基于ANSYS APDL软件,对单、双晶串联、双晶并联等多种不同配置方式的压电悬臂梁俘能器进行了压电 电路耦合分析。研究表明,俘能器内阻抗随振动频率呈现非线性变化,在短路谐振频率处达到最小值,在开路谐振处达到最大值;俘能器内、外阻抗匹配时,俘能器输出功率达到最优值;俘能器阻尼较小时,最优输出功率出现在短路谐振与开路谐振处,随着阻尼比逐渐增加,最优输出功率出现在两者之间,且只有一个峰值。     

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。     

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。     

微拾振器压电悬臂梁结构的设计与测试

提出了一种压电悬臂梁结构的微拾振器,利用有限元法计算了结构的固有频率和电压输出,以设计适合具体应用环境的器件结构。采用MEMS技术制备了器件原型并进行了试验测试。研究表明,所制备的器件在加速度为9.8 m/s2的低频谐振激励下电压输出达200 mV以上。考虑到压电薄膜的制备和湿法刻蚀硅造成的不均匀性,可以认为,测试结果和模拟结果基本相符,为设计、制备高性能的器件打下了良好的基础。     

电极层对压电微悬臂梁动态性能的影响

采用解析方法就电极层对压电微悬臂梁动态性能的影响进行了研究,并得出结论:当弹性层、压电层与电极层的厚度比值较大时,可忽略电极层对压电悬臂梁横向位移及谐振频率的影响。当各层的厚度都在微纳米量级时,电极层的影响不容忽视;同时,微纳尺度下该解析方法的适用性还有待进一步研究。这些对微纳尺度下压电悬臂梁的设计及应用都有一定的指导作用。     

双稳态压电悬臂梁发电性能分析

利用增量谐波平衡法(IHB)对双稳态压电发电系统的发电性能进行了研究.首先通过与龙格-库塔法(R-K)数值计算的结果相对比,证明IHB法解的有效性;其次利用IHB法分别计算了磁化强度不同时双稳态压电发电系统的电压幅频响应曲线及不同的负载电阻下的发电功率,得出双稳态压电发电系统的电压幅频响应存在解的跳跃现象,并且当磁场强度增大时,电压幅频曲线向右偏移,大幅运动的响应频带变宽,最大幅值变大.另外,分析了系统电阻匹配问题,只有选择合适的电阻值时,发电功率才能达到最大;最后与线性压电发电系统相比,得到双稳态压电发电系统在低频宽带下能产生较高的发电功率.