戴偉楠+周震源

摘 要：文章利用有限元分析軟件ANSYS，對某壓電懸臂梁進(jìn)行了分析，得到了壓電懸臂梁發(fā)電能力與基體材料及幾何尺寸間的關(guān)系，并依據(jù)分析結(jié)果對壓電俘能器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后將優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了實(shí)際檢驗(yàn)，得出了俘能器在共振環(huán)境下的電壓及功率，為今后相關(guān)的工程設(shè)計(jì)提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：壓電俘能器；壓電材料；能量捕獲；發(fā)電性能

中圖分類號：TH6；TN384 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）29-0001-02

1 引 言

傳統(tǒng)化學(xué)電池以自身獨(dú)特優(yōu)勢，如成本低、供能方便等，一直以來深受市場的歡迎。但隨著市場需求的發(fā)展，其缺點(diǎn)也逐漸顯露出來，如電池壽命短，需經(jīng)常更換；對環(huán)境污染較為嚴(yán)重，等。針對上述現(xiàn)象，傳統(tǒng)電池已無法滿足當(dāng)今社會可持續(xù)發(fā)展的需求。

當(dāng)今社會已步入網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，其微器件的數(shù)目也隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展變得越來越龐大，且某些元器件的位置由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜也變得難以觸及，故其電池的更換就更不可能了。因此，微電子的無線供能已成為當(dāng)今社會迫切解決的問題。結(jié)合微電子自身能耗小的特點(diǎn)，可直接在其工作環(huán)境（如溫差、振動、噪聲及太陽能等）中提取所需能量。在實(shí)際應(yīng)用中，由于溫差及太陽能供能技術(shù)受自然環(huán)境約束難以得到廣泛應(yīng)用，但噪聲及振動可以說幾乎無處不在，且能量密度較高，所以解決微電子產(chǎn)品能源供應(yīng)的唯一方法就是如何通過電磁感應(yīng)、靜電和壓電效應(yīng)等技術(shù)，研制出一種俘能器，能直接從微電子器件工作環(huán)境中俘獲振動能量并為其供能。目前，由壓電材料制造而成的俘能裝置，以結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)熱小、無污染等優(yōu)勢，備受社會關(guān)注。

對俘能裝置的研究，國外已取得較多成果，而國內(nèi)仍處于起步階段，本文將對某壓電俘能裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，以便為相關(guān)工程研究提供理論參考。

2 壓電俘能器有限元模型建立

對某型號壓電俘能器進(jìn)行有限元分析，建模的壓電材料選取，基體材料選取彈性材料，如：鋁等。

該類型俘能器發(fā)電裝置的發(fā)電能力主要由基體材料及梁尺寸決定，這里主要是對梁尺寸及受力進(jìn)行研究，以觀察其對發(fā)電能力的影響。

通過ANSYS進(jìn)行建模分析，基體選取，壓電選用，所建的幾何模型，如圖1所示（壓電片離端部10 mm）。

在用ANSYS進(jìn)行分析時(shí)，首先選用鋁材進(jìn)行分析，基體選用單元來仿真，壓電片選用單元來模擬。壓電俘能器的幾何模型和有限元模型如圖1所示（壓電片貼在距離端部的位置）。將上述模型以不同材料進(jìn)行分析，材料屬性，如表1所示。

在梁的端部施加的集中力，分析結(jié)果，如圖2所示。從圖中可以得出，在相同工況下，鋁作為基體材料，俘能器產(chǎn)生的電壓最強(qiáng)，鈹青銅次之，碳素纖維第三。因此，實(shí)驗(yàn)應(yīng)選取鋁材作為基體材料。

通過分析基體不同尺寸對俘能裝置的影響，得出結(jié)果如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

從圖3-圖6可以得出：梁產(chǎn)生的電壓與端部受力成正比，且處于線性關(guān)系；梁產(chǎn)生的電壓與基體寬度成反比，且不成線性變化，即寬度增加電壓下降；梁產(chǎn)生的電壓與基體長度成正比，且不成線性變化。

3 壓電俘能器模態(tài)與諧響應(yīng)分析

利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行上述靜力學(xué)分析，得出了梁的材料及幾何參數(shù)。這里將對壓電俘能器進(jìn)行模態(tài)分析，研究懸臂梁自由端質(zhì)量塊與俘能器固有頻率間的關(guān)系，研究結(jié)果如圖7和圖8所示。

俘能器的能量源一般是外界環(huán)境的振動，而外界環(huán)境的振動頻率一般為20 Hz以下，結(jié)合基體幾何尺寸和材料對發(fā)電能力的影響，我們選擇的俘能器的長、寬、高分別選擇100 mm、10 mm、1 mm；壓電的長、寬、高分別為10 mm、10 mm、1 mm；自由端的質(zhì)量塊的質(zhì)量為5 g。

4 振動能量俘獲試驗(yàn)

振動能量捕獲實(shí)驗(yàn)臺可以分為硬件和軟件部分，硬件部分由激振系統(tǒng)、復(fù)合懸臂梁、傳感單元和數(shù)據(jù)采集卡組成，軟件部分主要是用Labview軟件編程建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

將壓電懸臂梁在不同頻率下進(jìn)行工作，得出結(jié)果如圖9和圖10所示。從圖中可以得出：當(dāng)激振頻率為14 Hz時(shí)，梁產(chǎn)生了共振現(xiàn)象，在共振狀態(tài)下幅值電壓可達(dá)10 V，輸出功率可達(dá)。

5 結(jié) 語

本文通過有限元分析軟件ANSYS，研究了不同基體材料及尺寸對俘能裝置的影響，并討論了質(zhì)量塊對俘能裝置固有頻率及發(fā)電能力的影響，最后確定了俘能裝置的幾何參數(shù)及材料，并通過實(shí)際檢驗(yàn)，取得了較為理想的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] Krawczuk， Marek. Modal analysis of the low-pressure frame of steam turbine[J]. American society of Mechanical Engineers， 1995， 275- 287.

[2] I. Johansson， M.Sc， M.Gustavsson， FE-based Vehicle Analysis of Heavy Trucks[J]. SAE Technical Paper Series， 2005， 67（7）：1266-127 0.

[3] Hadad， H， Ramezani. A Finite Element Model Updating of a Vehic le Chassis Frame[J]. Proceedings of the 2004 International Conferen ce on Noise and Vibration Engineering， 2004： 1817-1831.

[4] 錢偉長.變分法及有限元[M].北京：科學(xué)出版社， 1980： 53-147.

[5] 王磊.多諧振頻率壓電能量回收結(jié)構(gòu)特性及實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京交 通大學(xué)，2010.

[6] 胡洪平.低頻壓電俘能器研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.