壓電復(fù)合梁機電轉(zhuǎn)換特性及多模寬頻發(fā)電的研究.pdf

1、壓電材料由于具有機械形變與電場的耦合效應(yīng)（簡稱機-電耦合），在智能結(jié)構(gòu)中有著廣泛應(yīng)用前景，被用來制作各種傳感、驅(qū)動及能量采集功能元器件。由于振動在工業(yè)生產(chǎn)生活環(huán)境中隨處可見，故轉(zhuǎn)換這些振動能為電能并采集加以利用、并為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等微功耗電子元器件供電，被認為是實現(xiàn)自治型無線節(jié)點很重要的一步。
　　本論文建立了壓電復(fù)合懸臂梁簡諧激勵下發(fā)電特性的解析表達式，并給出了其等效模型的分析方法，并首次給出了考慮壓電材料次級壓電效應(yīng)的壓電

2、復(fù)合梁精確的解析解，包括輸出電荷、電壓及電阻抗等，為此類壓電發(fā)電器的準確設(shè)計提供了必要和有效的指導(dǎo)。提出了一種全新的多頻響應(yīng)壓電振動發(fā)電器原型，它是基于折疊結(jié)構(gòu)壓電振子前兩階模態(tài)振動實現(xiàn)振動能量轉(zhuǎn)換獲取電能，通過計算機有限元仿真技術(shù)進行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，提出了制作方法，實驗中樣機首次成功實現(xiàn)了寬頻化振動能量轉(zhuǎn)換。本文的主要工作及結(jié)論包括:
　　一、采用與Jan G.Smits等研究者所用類似的方法推導(dǎo)得到了壓電/基體/壓電三層復(fù)合懸

3、臂梁在各種輸入（包括梁端部集中力、梁端部力矩、電壓）激勵下的輸出量（如梁的端部撓度，梁端部產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角，以及壓電梁電極上產(chǎn)生的電荷）的動態(tài)輸出解析表達式。給出了考慮次級壓電效應(yīng)的壓電復(fù)合梁壓電層本構(gòu)關(guān)系，利用其推導(dǎo)得到壓電復(fù)合梁的抗彎剛度，它是對由材料力學(xué)中的轉(zhuǎn)換截面法推導(dǎo)得到的抗彎剛度表達式進行必要修正;再接著針對具有大機電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)的新型壓電材料，我們進行了由其構(gòu)成的壓電復(fù)合梁機電轉(zhuǎn)換特性分析并給出了相應(yīng)的電導(dǎo)納表達式和諧振頻

4、率表達式，結(jié)果表明分析的準確程度得到提高，壓電材料的壓電常數(shù)和機電耦合系數(shù)越大，附加的應(yīng)變或者附加的電位移對主壓電效應(yīng)的改變程度就越大則次級壓電效應(yīng)表現(xiàn)就越強。
　　二、推導(dǎo)了壓電復(fù)合懸臂梁動態(tài)特性解析式，并將其歸納為矩陣形式，其可用于分析懸臂壓電復(fù)合梁結(jié)構(gòu)電學(xué)并聯(lián)、串聯(lián)的情況下的機電轉(zhuǎn)換特性，包括壓電復(fù)合懸臂梁在集中力、力矩、驅(qū)動電壓等激勵下的輸出，包括梁的端部撓度，梁端部產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角，以及復(fù)合梁電極上產(chǎn)生的動態(tài)電荷的解析解。建立

5、了基于ANSYS的懸臂壓電復(fù)合梁有限元仿真方法及模型，仿真分析的數(shù)值解及這些解析解的分析結(jié)果具有良好的一致性，這些解析解便于揭示該結(jié)構(gòu)機電轉(zhuǎn)換特性的物理本質(zhì)，也可以作為該結(jié)構(gòu)壓電梁數(shù)值解的驗證標準。
　　三、提出了一種全新的基于折疊結(jié)構(gòu)的多頻響應(yīng)的壓電振動發(fā)電器，該壓電發(fā)電器可以在前兩階模態(tài)振動下的較寬的頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換振動能為電能。本文給出了兩種多頻響應(yīng)的壓電振動發(fā)電器的設(shè)計步驟與方法，一是基于多懸臂壓電梁陣列，另外一種基于折疊結(jié)

6、構(gòu)的壓電振動發(fā)電器原型設(shè)計。這些設(shè)計方案可用于解決典型的單懸臂梁壓電振子頻率響應(yīng)范圍窄，當振源頻率偏離振子諧振頻率，壓電發(fā)電器無法有效完成能量轉(zhuǎn)換的問題。我們就提出的發(fā)電器原型建立了有限元計算模型，并詳細分析了這種全新的壓電振動發(fā)電器的特點，優(yōu)化了其結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計參數(shù)，給出了其前兩階振動模態(tài)的特點及壓電材料層部分的應(yīng)力分布特點。提出了折疊結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電振子的加工方法和制備工藝，制備了這種壓電振動發(fā)電器原型樣機，設(shè)計了測試系統(tǒng)平臺，測量了

7、發(fā)電特性及電功率輸出，實驗表明，該壓電振子在峰值加速度為0.7g情況下基礎(chǔ)振動掃頻激勵時，在120.9Hz附近達到功率輸出的極值，極值為6.64mW;在97Hz附近達到功率輸出的極值，極值為0.43mW;輸出功率超過20μW的頻率帶為88-177Hz，歸一化頻率帶寬(NFB)為74％。研究表明，提出的原型有望開發(fā)出將多頻振動輸入的機械振動能高效地轉(zhuǎn)換為電能的壓電發(fā)電器。
　　本論文在壓電振動發(fā)電的分析理論及其結(jié)構(gòu)設(shè)計方面取得的成果