振动能量收集系统的研究结构设计毕业论文.docx
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振动能量收集系统的研究结构设计毕业论文
振动能量收集系统的研究——结构设计
学院:
专业:
姓名:
指导老师:
工业自动化学院
机械电子工程
贾子贤
学号:
职称:
160404107385
刘娜
讲师
中国·珠海
二○二〇年四月
诚信承诺书
本人郑重承诺:
本人承诺呈交的毕业设计《振动能量收集系统的研究-结构设计》是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。
本人签名:
日期:
年月日
振动能量收集系统的研究——结构设计
摘要
随着科技产品的大量涌现,无线设备成为了新型的生活必需品,其供电问题成为影响其应用范围的重要问题。
在此背景下,压电振动能量收集装置以其易加工和结构上小型化、集成化等优点,可作为一种长期的自主供电系统。
其中压电式能量收集器作为现阶段主要研究的方向,其在一些不便于电池表现很差的环境中有广阔的发展空间。
但是,这种振动能量收集器的输出功率偏低,在实际工作生活中的局限性很大。
为提升收集器的输出功率,扩大实际的应用范围,本文主要对压电振动能量收集系统的结构进行设计。
首先,对振动能量收集结构所用的材料进行筛选,选择PZT-5的压电陶瓷。
在此之后,通过对实验所涉及的各种压电片以及基板进行计算机建模和分析,得到最为合乎求的最佳选型,并且针对该模型所选结果进行优化设计。
最后,为了验证实验设计的适用性,对纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构进行了COMSOL建模和仿真分析。
关键词:
压电陶瓷;压电悬臂梁;有限元分析;结构设计
ResearchonVibrationEnergyCollectionsystem——Structuraldesign
Abstract
Withtheemergenceofalargenumberoftechnologicalproducts,wirelessdeviceshavebecomeanewtypeofdailynecessities,andtheirpowersupplyissueshavebecomeanimportantissueaffectingtheirscopeofapplication.Underthisbackground,thepiezoelectricvibrationenergycollectiondevicecanbeusedasalong-termautonomouspowersupplysystemduetoitsadvantagesofeasyprocessing,miniaturizationandintegrationinstructure.Amongthem,thepiezoelectricenergyharvesteristhemainresearchdirectionatthisstage,andithasabroaddevelopmentspaceinsomeenvironmentswhereitisnotconvenientforthebatterytoperformpoorly.However,theoutputpowerofthisvibrationenergycollectorisrelativelylow,whichhasgreatlimitationsinactualworkinglife.Inordertoimprovetheoutputpowerofthecollectorandexpandthepracticalapplicationrange,thispapermainlydesignsthestructureofthepiezoelectricvibrationenergycollectionsystem.
First,thematerialsusedinthevibrationenergyharvestingstructurearescreenedtoselectthePZT-5piezoelectricceramic.
Afterthis,throughthecomputermodelingandanalysisofthevariouspiezoelectricsheetsandsubstratesinvolvedintheexperiment,themostdesirableandbestselectionisobtained,andtheoptimaldesigniscarriedoutfortheselectedresultsofthemodel.
Finally,inordertoverifytheapplicabilityoftheexperimentaldesign,COMSOLmodelingandsimulationanalysisofthevibrationenergycollectionstructureofthebutton-shapedpiezoelectriccantileverbeamwerecarriedout.
Keywords:
Piezoelectricceramics;Piezoelectriccantileverbeam;COMSOLfiniteelementanalysis;Structuraldesign
摘要
Abstract
第一章绪论1
2.3压电陶瓷分类...........................................................3
3.2不同形状单层压电陶瓷能量收集结构.......................................6
3.5本章小结36
第四章纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构37
4.1引言37
4.2纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构37
4.3本章小结41
第五章总结与展望42
5.1总结42
5.2展望42
1绪论
1.1研究背景与意义
近几年以来,随着信息化时代的发展,无线传感技术正逐渐进入迅猛发展的阶段。
社会的进步推动了各行各业的蓬勃发展,人们的需求也日益增加。
就一些新兴的设备而言,国外的技术水平仍处于领先地位。
国内也诞生了一大部分的行业机构,加紧对于新设备、新技术的研发工作。
但是,时至今日仍然存在大量的技术难题,国外的技术垄断也限制了我们的发展脚步。
社会的发展正在步入大数据时代,而在某些行业中大数据时代的到来在带给我们发展机遇的同时也给与了我们非常大的挑战。
在实际工作中,有的设备因为难以完成实时处理而逐渐淘汰,而大运算量的机械设备往往是大功耗的,如果没有持续的可供电电源,他就会难以继续正常稳定的运作。
并且这一切也会伴随着传输距离的加大而变得更加困难。
因为网络时代数据处理越来越讲求时效性,实时高效的数据处理会使得我们的企业在激烈的竞争中占得先机。
因此数据的传输速率、数据的处理速率以及数据的发布速率都是整个行业运行中至关重要的组成部分。
然而在许多的欠发达地区,各种设施不怎么完善,受到各种自然环境或者社会环境的影响,大数据的普及率仍然十分欠缺。
由于各种外在因素的制约,我们对于无线设备的供电要求也变得越来越迫切,比如在无法获取安全可靠的电源的情况之下,设备自身的续航水平就决定了其在该范围内的适用水平。
但是,高续航都是由技术革新来实现的,如今我们的科技水平虽说取得了长足的进步,但是依然与许多的技术性难题尚未解决,这些原因制约着我们的产品发展。
因此,如何科学地解决这些面临的困境便成为了我们当前所急需处理的难点。
设备的续航主要依靠两个部分,即外接的电源与自身所携带的电源。
但是不同的无线设备需要不同的电源作为能亮来源。
原装的电池虽说性能比较稳定,但是价格却是十分的昂贵。
同时能耗的问题也是未得到有效的解决,产品性能也层次不齐,如果可以更好地解决这一问题,那将会对该行业领域的发展提供极大的推动力。
新技术与新产品的出现将会带来巨大的社会效益。
市场的需求激励着整个社会开始重视这一领域。
与其引进收到限制的技术,不如通过自身的创新能力,大力支持行业发展,培养一批相关方面的技术人才,依次为基础推动新技术的创新。
在已有条件的基础之上,通过理论创新与科技创新,为新产品的研发提供源源不断的物质与人才基础,如此才可以使得创新水平得以提升、社会的发展离不开技术的不断创新,在节约成本的理念之下,人们开始研究各种自然环境下的能量收集技术,作为电池的替代品。
这一项工作不仅会带来技术上的新进展,而且会带来比较可观的现实利益,在此背景之下,没有后顾之忧的振动能量收集系统就成为了一个相对来说比较可靠而且经济的选择。
1]
使振动能量收集系统为无线传感提供供电方案的新思路,具有十分重要的现实意义与理论研究的意义。
1.2国内外研究现状
为了解决使电池持续性地为无线电子设备供应电能这一问题,国内外的研究人员都进行了相关方面的研究工作。
新技术和新产品的研发都需要投入巨大的人力与物力。
除此之外还要有合理的规划和措施,来为技术突破铺平道路。
首先要考虑的是如何将能量从其他形式转化为设备可以利用的电信号,其次是要取材方便而且设计简单并容易实现,相关的研究工作将主要围绕这一主题而展开。
目前关于这方面的研究也非常的多,其中包括德州大学阿灵顿分校研发出一种改进的能量采集器,该能量采集器可以在一定的振动频率和固定的加速度的激励下,得到高额的能量密度。
国内外的研究机构还通过技术革新来利用新型材料来研发出复合材料制成的振动能量采集器,振幅得到了巨大的提升,几乎是其他设备的一倍还要多,输出能量更是夸张,达到了数倍以上。
[4]
1.3论文主要研究内容
本文主要选用不同形状的压电片和基板。
运用COMSOL进行建模和有限元分析。
本文研究内容如下:
第一章主要介绍振动能量收集器的研究背景与意义,国内外的研究现状,从压电能量收集系统的结构上,结合收集器件的性能展示对研究现状与发展进行阐述。
第二章:
介绍了本文研究对象所针对的材料,并对其进行分析。
第三章首先对COMSOLMultiphysics进行介绍,然后进行深入的理论研究与分析,主要为圆形形、矩形和正方形的基板和压电片,并且对压电片与基板的相对位置进行分析。
第四章着重介绍本文所涉及的能量收集装置,基于压电式振动能量俘获以及悬臂梁结构,设计的纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构,并对结构进行仿真分析。
第五章总结论文的全部工作和主要贡献,指出仍然存在的问题。
2压电材料
2.1发展历史
1880年,字居里兄弟第一次发现电气石的压电效应以来,并于次年,他们通过各种实验分析,经过大量的数据对比发现逆压电效应,与此同时也验证了关于石英的正逆压电常数。
1945年前后,各国均独立发现了钛酸钡压电陶瓷的高介电常数。
1946年,美国MIT的研究人员通过一系列的科学论证以及理论研究,终于研制出了世界上第一个压电陶瓷。
次年美国科学家通过实验探索获得了压电性。
1954年后,以美国为代表的世界科技强国纷纷开展了对压电陶瓷的研究,期间获得了十分巨大的科技突破,为整个领域的发展做出了极大的贡献。
2.2压电陶瓷基本性能参数
压电陶瓷自身的性能参数是提高振动能量收集系统的性能及其发电量的重要物质基础,对于能量收集系统有着十分关键的决定因素,它包含有多个不同的指标,只有当这些众多的参数完全合乎设备的整体要求,整个系统本身来说才是比较完备的,因此非常重要。
介电常数反应的是压电材料的介电性质,也是一项十分重要的指标参数,在后期的实验设计以及仿真分析中依然不可忽视;介电损耗常数是指电介质在交变电场中损耗电能而产生的热量的现象所对应的数值,也与一些具体的参数相关,同样十分重要;机电耦合常数表征机械能与电能之间转换的程度,与压电元件的能量转换密度和压电元件储存能量的能力有关。
2.3压电陶瓷的分类
压电陶瓷发展至今,有许多的适应各种环境要求的种类,在实际应用中,我们需要选择最合适的压电陶瓷片的类型,以追求最佳的实验效果。
其中,大致有钛酸钡BaTiO3和锆钛酸钡PZT这两种。
钛酸钡BaTiO3压电陶瓷常用于超声波仪器中,诸如铁路上用于测量火车通过时的压力,医用脉搏记录仪,水底探测器等。
锆钛酸钡PZT的压电性能十分良好,适合各种环境下工作的需求。
而PZT-5H又以高耦合系数,高压电应变常数,和优异的稳定性受到广泛的应用。
3不同形状单层压电陶瓷能量收集结构
本章先对COMSOLMultiphysics多物理场仿真平台进行简介,然后针对不同形状的压电片和基板,运用控制变量法,进行分别研究。
3.1COMSOLMultiphysics软件介绍
COMSOLMultiphysics多物理场仿真平台。
对于多物理场,简单就是包含多种物理化学现象,在研究很多交叉学科问题的时候,都涉及到多物理场,例如电磁热就是、焦耳热等现象就是电阻通电后产生热量,包含了电场,传热,产生的热量会使电阻发生热膨胀,这样就会涉及到结构力学,所以就是一个多物理场的问题。
当用COMSOLMultiphysics创建了一个多物理场仿真模型之后,如果想保存以方便之后的重复使用或者是分给其他的研究人员使用时,不可能让每个人都去学习COMSOLMultiphysics多物理场仿真平台,对此,COMSOLMultiphysics多物理场仿真平台提供一个App开发器。
运用App开发器我们可以进行二次开发,将已构建的模型封装成为一个App界面,只需要在COMSOLMultiphysics的工作界面,点击App开发器按钮,就可以进入App开发,并且开发非常简便,如图3.1只需拖动已选择的输入/输出、图形和按钮,并测试,就可以完成App开发。
此外在运行App时,也不是只能用COMSOLMultiphysics进行打开操作,App制作时也可以上传到COMSOLServer,通过COMSOLServer进行打开,非常方便。
当然也可以运用COMSOLCompiler把App转变为.exe文件,可以随意拷贝直接打开。
(a)工作界面
(b)App开发界
图3.1App开发
COMSOLMultiphysics在研究多物理方面有很多模块,如图3.2包括结构力学、声学、电化学、传热、光学、半导体、流体流动和数学等,在每个物理场下又有很多的研究方向。
对于本文所研究的振动能量收集系统,主要选用结构力学中的固体力学和压电器件两部分,在选择完物理场之后,软件会自动将多物理场耦合,显示耦合后的工作现象,本文的多物理场耦合后为压电效应。
图3.2物理场选择
在COMSOLMultiphysics软件中,在建模上,可以将CAD的三维和二维图直接导入COMSOLMultiphysics,也可以在COMSOLMultiphysics中直接进行绘制,绘制的操作也非常简单,易懂,其包括三维或二维模型的绘制、模型材料的选择、施加边界约束、设置单元类型、网格剖分。
在建模之后进行研究时,也可以选择多种研究,主要有预应力分析、稳态分析、瞬态分析、特征频率分析、螺栓预紧力和线性屈曲等,并且,软件会人性化的给出所选多物理场的预设研究,帮助研究人员进行工作。
3.2不同形状压电片悬臂梁式能量收集结构
本章对于各种压电片和基板的悬臂梁结构下的发电行为进行有限元分析,提出改进措施,而且对于压电片尺寸进行合理改动。
3.2.1不同形状压电片悬臂梁设计
本文针对三种形状的压电片进行设计主要为圆形、矩形和正方形。
压电陶瓷选用PZT-5H,基板采用铜(Copper),长宽高分别用L、W、H表示,单位统一为毫米。
基板尺寸为L×W×H=60×20×0.5,压电片厚度均为0.5,不同形状有相同(基本相同)的面积,其余尺寸如下:
矩形:
L=25,W=10;
圆形:
半径R=6.31,π取3.14;
正方形:
边长A=11.8;
模型图如图3.3中(a)(b)(c)分别为矩形压电片式、圆形压电片式和正方形式压电片。
(a)矩形
(b)圆形
(c)正方形
图3.3
3.2.2不同形状压电片有限元仿真
3.2.2.1静力学分析
为确保压电陶瓷正常工作,则在该过程中最大应力不得大于其许用应力。
对悬臂梁左侧进行固定处理,在其自由端使用F=0.4N的力,对三种不同形状下的压电片进行分析。
观察图3.4(a)(b),可得结论:
矩形压电片最大应力在压电片远离基板根部的一侧,为1.81MPa,压电片可以进行正常工作。
可产生最大电压约为3.2V。
观察图3.4(c)(d),可得结论:
圆形压电片最大应力产生在圆形的靠近基板两侧边缘,为441Pa,压电片可以进行正常工作。
可产生最大电压约为7.26V。
观察图3.4(e)(f),可得结论:
正方形压电片最大应力产生在压电片靠近基板根部的一侧,为4.33×103Pa,压电片可以进行正常工作。
可产生最大电压约为6.69V。
(a)矩形应力图
(b)矩形电压图
(c)圆形应力图
(d)圆形电压图
(e)正方形应力图
(f)正方形电压图
图3.4
综上,在确保压电陶瓷正常稳定工作的前提下,圆形压电片悬臂梁式能量收集器输出电压最高,收益最高,正方形次之,矩形最低。
但是由应力图可知,圆形和正方形的压电片的应力较为集中,与矩形压电片结构相比较,不适合作为压电片形状,所以,选择矩形压电片,安全系数高,且寿命长。
3.2.2.2模态分析
模态分析是一种处理过程,是根据结构的固有特性等动力学属性去描述结构的一个过程,它既可以确定结构的振动特性,也可以得到振子的自然频率、振型等参数。
模态分析的步骤主要有:
建立模型、加载求解和结果处理。
图3.5、图3.6和图3.7分别为矩形压电片、圆形压电片和正方形压电片三种不同的形状,在悬臂梁结构下的前4阶振型。
(a)矩形一阶振动模态
(b)矩形二阶振动模态
(c)矩形三阶振动模态
(d)矩形四阶振动模态
图3.5
(a)圆形一阶振动模态
(b)圆形二阶振动模态
(c)圆形三阶振动模态
(d)圆形四阶振动模态
图3.6
(a)正方形一阶振动模态
(b)正方形二阶振动模态
(c)正方形三阶振动模态
(d)正方形四阶振动模态
图3.7
由上图可见矩形、圆形和正方形三种形状的前四阶模态固有频率如下表:
表3.1
模态
一阶
二阶
三阶
四阶
矩形压电片
110.29Hz
542.51Hz
689.85Hz
1678.3Hz
圆形压电片
0.097696Hz
0.51713Hz
0.56574Hz
1.4175Hz
正方形压电片
0.097102Hz
0.51713Hz
0.57292Hz
1.4194Hz
对于矩形压电片而言:
一阶振型是向下弯曲的形状;二阶振型向下弯曲的程度加大;三阶振型是向一侧扭曲的形状;四阶振型是呈波浪形。
对于圆形压电片而言:
一阶振型是向下弯曲的形状;二阶振型向下弯曲程度较一阶加大;三阶振型是向一侧扭曲的形状且扭曲程度较矩形压电片的三阶更大;四阶振型呈波浪形,较矩形压电片的四阶振型弯曲程度更大。
对于正方形压电片而言:
一阶振型是向下弯曲的形状;二阶振型向下弯曲较一阶振型更大;三阶振型是向一侧扭曲的形状;四阶振型呈波浪的形状。
由于在实际生活应用中,结构通常呈一阶振型的工作形式,所以此处主要分析一阶振型由表3.1可以看出,在只关注一阶固有频率的情况下,矩形压电片的一阶固有频率最大,圆形压电片次之,正方形压电片最低。
3.3不同形状基板悬臂梁式能量收集器
3.3.1不同形状基板的设计
本文设计三种形状基板,如图3.8,压电片材料为PZT-5H,其具体尺寸和形状与3.1中相同。
长宽高用LWH,圆形半径为R,正方形边长为A,基板厚度统一是0.5。
单位为mm,具体尺寸如下:
矩形:
L=60,W=20;
圆形:
R=27.5;
正方形:
A=60。
(a)矩形
(b)三角形
(c)梯形
图3.8
3.3.2不同形状基板有限元仿真
3.3.2.1静力学分析
悬臂梁的一侧做固定处理,对另一侧施加F=0.5N的力,对三种不同形状基板进行静力学分析。
根据图3.8(a)(c)(e),正方形基板的应力最大,而矩形基板最小。
且矩形基板应力集中在压电片根部,且均匀分布;正方形基板应力虽然大,但是过于集中,对结构的载荷过大,易造成元件损;圆形基板虽然应力大,但是最终用于发电的部分应力很小,不宜作为实用结构。
观察图3.9(b),可得结论:
矩形基板产生电压为3.2V;
观察图3.9(d),可得结论:
圆形基板产生电压为5.78V;
观察图3.9(e),可得结论:
正方形基板产生电压为10.9V。
综上,在外部条件大致相同的情况下,正方形基板的应变和产生电压最大。
在基于对可持续性使用的考虑,牺牲掉一部分的性能,从而使使用周期变长。
所以矩形基板结构的悬臂梁更适合制作压电能量系统。
(a)矩形应力图
(b)矩形电压图
(c)圆形应力图
(d)圆形电压图
(e)正方形应力图
(f)正方形电压图
图3.9不同形状基板
3.3.2.2模态分析
如图3.10和图3.11所示,依旧只研究一阶模态分析图谱,矩形基板的模态分析图谱如3.5所示,下列为圆形基板和正方形基板的模态分析图谱。
(a)圆形一阶振型
(b)圆形二阶振型
(c)圆形三阶振型
(d)圆形四阶振型
图3.10
(a)正方形一阶振型
(b)正方形二阶振型
(c)正方形三阶振型
(d)正方形四阶振型
图3.11
表3.2
模态
一阶
二阶
三阶
四阶
矩形基板
110.29
542.51
689.85
1678.3
圆形基板
75.644
208.8
445.86
800.01
正方形基板
0.089946
0.20526
0.50372
0.64714
对于矩形基板而言:
一阶振型是向下弯曲的形状;二阶振型向下弯曲的程度加大;三阶振型是向一侧扭曲的形状;四阶振型是呈波浪形。
对于圆形基板而言:
一阶振型是向下弯曲的形状;二阶振型左右两侧向上弯曲;三阶振型两侧向上弯曲程度加大;四阶振型呈扭曲的趋势。
对于正方形基板而言:
一阶振型是向下弯曲的形状;二阶振型左右两侧呈扭曲趋势;三阶振型两侧呈向上且向内的弯曲状,自由端向下弯曲;四阶振型两侧向上弯曲,自由端也向上弯曲,但程度较两侧弯曲的较小。
由于在实际生活应用中,结构通常呈一阶振型的工作形式,所以此处主要分析一阶振型由表3.2可以看出,在只关注一阶固有频率的情况下,矩形基板的一阶固有频率最大,圆形基板次之,正方形基板最低。
在实际生活中大多频率在200Hz左右,所以矩形基板的应用场所较圆形和正方形更多,实用性较高。
3.4基于矩形结构的压电能量收集器的尺寸优化
根据3.1和3.2的C
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