新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究【SolidWorks三维】

新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究

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中 文 摘  要

　　　振动是一种很常见的物理现象，通过对振动能的收集，将振动能转换成电能，有利于缓解社会能源紧缺问题。目前主要用来收集振动能的压电发电装置可以在各种存在振动的环境中工作，具有很好的应用情境。而压电发电与无线网络传感器的结合，也使得其拥有更广阔的实用价值，且吸引了很多科研学者对其进行研究。

　　　悬臂梁压电发电装置是现在最常见的振动能量采集装置，而这种装置的特点是结构简单，加工方便，可得到相对低的共振频率和较大的形变等。本文基于前人的结构设计，运用Solid-works进行三维建模,并通过ANSYS有限元软件对蝴蝶式悬臂梁发电装置进行了静力分析以及模态分析，求解其谐振频率，并将计算结果与试验数据进行了对比，以验证有限元计算的正确性。最后研究悬臂梁长度、宽度、厚度、形状等因素以及位移载荷对谐振频率的影响，最终确定最优化的结构设计参数。

关键词：振动，压电发电，有限元分析，结构优化

Abstract

　　　Vibration is a very common physical phenomenon, by collecting the vibration energy of the vibration energy into electrical energy will help alleviate the social problems of energy shortage. At present is mainly used to collect the vibration energy of piezoelectric power generation device can exist in a variety of vibration environment work, has the very good application situation. While the piezoelectric power generation combined with the wireless sensor networks also make it have more practical value, and attracted a lot of research scholars to study it.

　　　Cantilever piezoelectric power generation device is now the most common vibration energy collection device, and the characteristic of the device is simple in structure, convenient processing, can be relatively low resonance frequency and larger deformation etc. In this paper, based on previous structural design, Using Solid-works make three-dimensional modeling and the butterfly type cantilever beam generating device for static analysis and modal analysis by ANSYS finite element software to solve the problem of the resonant frequency, and the calculated results were compared with experimental data, to verify the correctness of the finite element calculation .Finally, study of cantilever factors such as length, width, thickness, shape and displacement loading effect on the resonance frequency, and ultimately determine the optimal design parameters.

Key words： Vibration，Piezoelectric Power Generation Technology，FEA，Structural Optimization

目 录

中 文 摘  要I

AbstractII

第一章  绪 论1

1.1 课题研究背景1

1.2 压电发电技术的发展历史与现状1

1.2.1压电发电技术的发展历史1

1.2.2压电发电技术的发展现状2

1.3 课题的研究意义3

1.4 本章小结4

第二章 新型蝴蝶式压电悬臂梁的模型构建5

2.1 基本原理5

2.2 经典单层压电发电悬臂梁6

2.3 Solid-works 简介6

2.4 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置7

2.5 本章小结8

第三章  蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的实验研究9

3.1 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置实物的加工制作9

3.1.1 单层压电振子的加工制作9

3.1.2 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的加工制作10

3.2 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的试验测试11

3.2.1 压电发电结构的模态测试11

3.2.2 压电发电装置的发电性能测试13

3.3 本章小结15

第四章  蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的有限元分析16

4.1 有限元方法简介16

4.1.1 ANSYS Workbench概述16

4.1.2 Workbench的提供的分析类型如下:17

4.2 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的有限元模型18

4.3 静力分析18

4.3.1 概念18

4.3.2 问题描述19

4.3.3 求解步骤19

4.3.4 静力分析结果23

4.4 模态分析25

4.4.1 概念25

4.4.2 问题描述25

4.4.3 求解过程25

4.4.4 模态分析结果26

4.4.5 结果与实验数据对比27

4.5 蝴蝶式压电悬臂梁压电发电装置的性能研究27

4.5.1 梁长度对蝴蝶式压电悬臂梁装置发电性能的影响28

4.5.2 梁宽度对蝴蝶式压电悬臂梁装置发电性能的影响28

4.5.3 梁厚度对蝴蝶式压电悬臂梁装置发电性能的影响29

4.5.4 梁形状对蝴蝶式压电悬臂梁装置发电性能的影响30

4.5.5 位移载荷对蝴蝶式压电悬臂梁装置应力的影响31

4.6 本章小结31

第五章 总结与展望32

5.1 总结32

5.2 展望32

致  谢34

参考文献35

　　　近现代以来，产品的发展趋于小型化、微型化与集成化，而能源供应问题已成为制约产品微型化技术发展的瓶颈，其微型化问题受到普遍的关注。传统的化学电池因其寿命短、经常需要充电和更换而逐渐不能满足于市场的要求。而要使微电子产品真正实用化,制造出高质量、高功率能量密度的微能源器件是当前的关键之所在。

　　　目前,微能源的研究和开发主要有微热光电( TPV)系统、微内燃机系统、微太阳能电池、微锂电池、微燃料电池、微热电系统等，但大多数的能量解决方案只适用于短寿命周期。因此，一些科研机构着手研究基于机械能的集能系统,结果证明:从机械振动中获得能量是切实可行的。尽管产生的电力微小,正常在微瓦到毫瓦标准之间,但已经足够于微功耗系统的使用。要将机械振动转化为电能所采用的方法一般有3种:静电式、电磁式和压电式。目前，电磁式感应技术是比较成熟的一种发电技术，转换能量也大，但其结构复杂，体积庞大，不适合微电系统。而静电式在其能量转换时需要一个独立的电压源。相比于前两种，压电式发电装置结构简单，工作环境要求低，无需初始电压，主要是依靠环境中的机械能进行转换，是一种新型环保能源[5]。

　　　压电式发电能量的获得是通过压电效应把机械能转换为电能。压电转换方法不需额外电源，易微型化，其能量转换可以达到相对较高的电压和功率密度，且适合于长寿命周期的微功耗的电子器件，具有非常广阔的应用前景。

1.2 压电发电技术的发展历史与现状

1.2.1压电发电技术的发展历史

　　　压电发电技术最早起源于1880年，是当时的居里兄弟发现的，他们发现在石英晶体中当晶体受到机械应力作用时，在其表面会产生电荷；相反的，晶体在外电场作用下会产生形变。前者被称为正电效应，后者则被称为逆压电效应。100多年过去，压电材料经历了几个里程碑的发展，由最初的石英晶体到锆钛酸铅陶瓷。而各类的压电传感器、驱动器和换能器在水声、超声波、红外、激光、电光等技术领域中成为不可替代的重要器件。

1.2.2压电发电技术的发展现状

　　　美国、日本、荷兰、英国等国家已经着手研制基于不同原理的微型发电装置[3],如压电、电磁及静电等为各类便携式微功率电器、传感器及监控系统提供能源。利用每一种发电原理构造的发电装置都有其自身的特点和适用领域。压电发电装置的优点是结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的微小化、集成化等,尤其适用于各类传感及监测系统。

　　　1、法国TIMA实验室采用反应性离子刻蚀技术(DR IE)研制出应用于无源传感器网络系统的压电微能源获取装置，该装置采用悬臂梁结构，悬臂梁一端为立方体质量块,由硅加工制成,另一端通过一个悬臂梁连接到基体。共振时,悬臂梁的上表面和下表面发生收缩和伸长,由于压电效应,压电层出现电荷。这些由压电效应产生电荷通过能量获取电路加以收集。该装置可以通过串联或并联的方式来增加电流或电压,同时,可以具备多种共振频率模式,扩大其带宽[5]。

　　　2、美国加州伯克利分校的Roundy S博士设计了双压电片悬臂梁结构的收集振动能的发电器，其数学模型都是通过将压电发电器的机械部分和电学部分分别等效成电路,然后,用一个等效变压器将两部分等效电路联系起来,以模拟机电耦合的方法建立起来的。这种建模方法巧妙,也比较准确,但等效变压器参数在不同情况下是不同的,必须实验测定,给优化设计带来了不便[7]。

　　　3、2007年比利时IMEC中心研制出基于驻极体的振动式静电发电机，其输出功率为5μW。由于加工技术问题和输出阻抗大等缺点，静电式发电机目前尚处在原理验证阶段。振动式压电发电机具有结构简单、能量密度大、易于微型化等优点，逐步成为振动式微型发电机研究的热点[1,12]。

　　　4、在国家“863”计划资助下，重庆大学微系统研究中心对采集电路进行了调节，提出了双振子微型发电机输出功率调节控制电路的研究方案，客服了单振子压电式微型发电机不能持续为大功率瞬时发射的无线传感器网络模块供电问题。并且通过实验证明，功率调节电路的双振子压电式微型发电机平均输出功率为250~950μW，瞬时输出功率可达680mw，而自身的功耗不到40μW，足以达到微型电子元件供电要求。该电路系统在“长华7号”滚装船上进行了机械故障检测系统的评测实验，取得了比较满意的结果[1]。

　　　5、清华大学微电子学研究所采用(110)硅基片,研制了MEMS压电式能量收集器。对于面积尺寸为3600 μm ×270 μm的器件，测得谐振频率为1673Hz。在频率为1673Hz和振幅为11nm的振动条件下,器件的最大输出功率为1. 06nW，对应的最优负载电阻为28 kΩ，归一化后得到的单位面积最大输出功率为0. 11μW / cm2[2]。

　　　压电发电的研究在各国取得了很大的进展与成果，但也面临着艰难的挑战。而未来的压电发电技术也将向微能源器件发展、或与旋转机械相结合，或实现设备自供电。　　　科技发展的关键是能源[8]，新能源的利用与能源利用技术方法的改进推动着社会的进步，能源支持着人类社会一切基本活动。自然界的能量遵循着能量守恒定律，人类社会的工农业活动主要依靠煤、石油、天然气的供给。但是日益发展的人类活动加速了能源的消耗，在不久的将来，这些不可再生资源将会耗尽，人类面临着能源危机。而缓解能源危机的方法主要有：降低能耗速度、对能量进行回收再利用以及寻找开发新能源。

　　　环境中的振动无处不在，有些振动会给环境造成噪声污染，有些会给结构造成损伤，降低结构的使用寿命，还有些振动虽然不会带来污染或破坏，但振动能量却大量的流失掉了，若能将这些振动能量收集起来，转换为电能并采集利用，将会变废为宝，变不利为有利，将会为人类社会提供新的能源供给方式，以缓解社会对能源的需求。

　　　传统的供能方式存在寿命短、需经常更换等缺点，不仅造成材料的浪费、成本的增加，甚至带来环境污染。因此，人们逐步发现直接从环境中捕获能量并供能是一个很好的替代方法。目前，主要有光能供电、水力供电、热能供电、洋流供电等。

　　　光电能量的转换是目前比较成熟的技术，主要通过光生伏打效应将太阳能转换成电能，转换材料以单晶硅、多晶硅和非晶硅为主，转换效率达20%。但其成本较高，且受到光照条件的限制，主要适用于空间技术。

　　　热能是自然界普遍存在的一种能源，将热电偶放在热梯度空间中，可将热能转换成电能。在自供能装置中，在一定温差范围内，利用热应变材料产生相变，热膨胀系数显著增加，将其与电活性材料复合，可实现热应力与电能的转换，但其热电转换效率较低，理论转换效率仅为5.5%，且需要较大的温差，在一般环境中难以使用。

　　　风能是一种较清洁的可再生能源，主要通过风轮将风能装换成机械能，再通过发电机将机械能转换成电能。通常风速要大于4m/s才适宜发电，且风速越大，发电效率越高。但是风能并不稳定，且不可控。风能发电机装置规模较大，将占用大量的土地资源，成本较高，且会对鸟类造成影响。

　　　这些能源都受到环境和应用场合的限制，利用压电效应将振动能转换成电能相对比较简单，且限制条件较少。压电发电主要通过压电材料将振动能转换成电能，是一种新型节能环保材料，不会向环境中排放有毒有害物质，在电能转换上，其不需要初始电压或变压器等，没有结构设计限制，无电磁干扰，且转换电压较高，越来越受到人们的关注。

　　　本文主要针对压电式悬臂梁结构从环境中获得能量进行探索性了解。了解国内外在压电式悬臂梁发电机存在的一些问题，比如输出功率较低、振邪频率较高等。为解决这些问题，本文建立了新型蝴蝶式压电悬臂梁的ANSYS有限元模型。从而分析压电悬臂梁能量的转换，确定压电悬臂梁结构对发电性能的影响因素，包括机构尺寸，材料特性，施加载荷等。

1.4 本章小结

　　　本章主要介绍了压电发电的发展历史以及现状，简单了解国内外在压电发电领域的研究成果。通过本章节的学习让读者知道压电发电与传统能源发电的差别以及本文所需解决的问题。

第二章 新型蝴蝶式压电悬臂梁的模型构建

　　　人们在压电发电的研究上已有了比较成熟的研究成果，通过了解蝴蝶式压电悬臂梁的结构设计与基本原理，运用Solid-works软件建立新型蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的结构模型。

2.1 基本原理

　　　压电发电主要是依靠压电材料进行发电。而因为压电陶瓷具有正压电效应和逆压电效应，所以是一种常见的压电材料。某些电介质晶体会因为外力而发生形变,引起其内部正负电荷中心发生相对位移,使其表面上出现异号极化电荷。这种没有电场作用,只是由于应变或应力,在晶体内产生电极化的现象称为正压电效应。应力在一定范围内时,由压电效应产生的极化强度与应力成线性关系:

P = d X

式中, X 为应力; d 为压电应变常数; P 为极化强度。

　　　因为压电陶瓷硬而且脆,人们在构成压电振子时一般将其粘在金属上。而在实际应用中,压电振子的支撑方式有很多种,其中悬臂梁支撑方式因为共振频率较低和柔顺系数较大等特点,所以比较适合压电发电领域。

　　　由于压电陶瓷的能量收集涉及诸多领域，如材料、工艺、力学、电学等，因此许多关键技术还未能解决。压电陶瓷产生的是电量小的交流电, 因而一次振动产生的电能很难满足一些无线传感器的功耗需求[10]。而为了提高压电陶瓷的发电量,需要优化压电振子的设计,并在试验中对压电振子的发电性能进行测试,从而设计出高效的转换与储存电路。概括起来,基于压电陶瓷的振动能量捕获的关键技术主要包括以下几点：1、压电材料的制备，2、压电振子优化设计，3、高效机电耦合模态研究，4、振动支撑结构设计，5、系统共振频率调整方法研究，6、高效的电荷提取电路设计以及其他方面。

参考文献

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