基于ANSYS分析的雙晶壓電振子形狀對(duì)壓電俘獲的影響

任俞杰 宋微 王素玲 何陽(yáng)

摘 ?要：針對(duì)車在行駛過(guò)程中能量回收的問(wèn)題，根據(jù)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，提出一種新型的汽車振動(dòng)能量回收的裝置。通過(guò)有限元分析軟件建立路面不平度模型，并得到作用在座椅處的載荷和振幅，獲得壓電材料的最佳安裝位置，同時(shí)通過(guò)對(duì)壓電材料的不同截面形狀進(jìn)行分析，獲得最高的振動(dòng)能量回收效率。

關(guān)鍵詞：能量回收;壓電陶瓷;有限元分析

中圖分類號(hào)：U469.72 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）28-0066-02

Abstract： In order to solve the problem of energy recovery during vehicle driving， a new type of vehicle vibration energy recovery device is proposed according to the piezoelectric effect of piezoelectric ceramics. The pavement roughness model is established by finite element analysis software， and the load and amplitude acting on the seat are obtained， and the best installation position of piezoelectric material is obtained. At the same time， the different cross-section shapes of piezoelectric material are analyzed. The highest vibration energy recovery efficiency is obtained.

Keywords： energy recovery; piezoelectric ceramics; finite element analysis

1 概述

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)汽車的性能要求也越來(lái)越高。汽車座椅作為體現(xiàn)汽車舒適度的主要部分，其功能越來(lái)越多也越來(lái)越人性化。但是由于其電力消耗大，在節(jié)約能源，提高能源利用率方面存在很大缺陷。[1]因此我們迫切需要對(duì)汽車座椅壓電裝置進(jìn)行改造。壓電發(fā)電機(jī)是一種基于壓電材料的正逆壓電效應(yīng)的新型機(jī)構(gòu)，其最大的特點(diǎn)是可以將外界的能量俘獲并轉(zhuǎn)變成電能[2]。本文的主要研究?jī)?nèi)容是如何在現(xiàn)有汽車環(huán)境中，在盡量不增加車載附加質(zhì)量的前提下，將行駛過(guò)程中的振動(dòng)能量回收效率最大化。

2 能量回收裝置有限元分析

汽車座椅在使用過(guò)程不可避免會(huì)受到很大的振動(dòng)和沖擊，為了了解汽車座椅在真實(shí)環(huán)境下的工作狀況，必須對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)模擬。首先利用ANSYS軟件對(duì)汽車座椅簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)分析可知最大位移發(fā)生在汽車座椅與地板的鏈接處，即彈簧與座椅的連接處。在完成模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)汽車座椅進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。通過(guò)分析得到隨機(jī)振動(dòng)時(shí)汽車座椅1？滓變形分布，最大變形發(fā)生在汽車座椅與地板之間的連接處。正好符合將壓電材料放在變形最大處的理念。汽車座椅的材料為Q235號(hào)鋼，振動(dòng)載荷的安全系數(shù)n為1.2～1.35，對(duì)汽車座椅的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

？滓max·n？燮[？滓] （1）

式中：[？滓]為許用應(yīng)力;？滓max為計(jì)算應(yīng)力;n為安全系數(shù);將數(shù)據(jù)帶入公式中得1.35×32.442=43.797Mp？芻235Mp，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 壓電裝置數(shù)學(xué)模型

本次對(duì)壓電材料分析采取懸臂梁式結(jié)構(gòu)，兩個(gè)壓電陶瓷片分別通過(guò)耐高溫膠水粘在金屬片的上下表面上，壓電陶瓷之間的連接方式可以采用串聯(lián)或者并聯(lián)，圖1為懸臂梁式壓電振子的結(jié)構(gòu)示意圖。

分別對(duì)不同截面（三角形、矩形、梯形）的壓電材料進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立并分析，假設(shè)其厚度相同，矩形的長(zhǎng)度和寬度分別為h、b，梯形的上底為a，下底為b，高為h，三角形的底為b，高為h。壓電材料選擇壓電陶瓷。在對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行ANSYS分析時(shí)，將矩形的一端寬度固定不變，另一端寬度逐漸縮小，縮小到a時(shí)為梯形，縮小到0時(shí)為三角形，進(jìn)行壓電分析。

將三種不同形狀的懸臂梁壓電振子在相同振動(dòng)激勵(lì)下沿長(zhǎng)度方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)帶入Matlab軟件中得到應(yīng)變輸出圖，可知，在相同條件下，三角形懸臂梁壓電振子所受的應(yīng)變最大，梯形次之，矩形懸臂梁壓電振子的應(yīng)變最小，因此，在同等條件下，三角形懸臂梁壓電振子具有很好的應(yīng)變分布均勻性，從而產(chǎn)生更高的電壓，更有利于提高振動(dòng)能量俘獲的效率。

4 有限元仿真分析

本文采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)雙晶壓電懸臂梁進(jìn)行仿真分析。首先建立三種不同截面形狀的有限元模型，兩個(gè)壓電陶瓷片之間的基板選擇彈性模量比較大的45鋼，這樣可以使壓電振子承受更大的變形。壓電陶瓷的型號(hào)選擇PZT-5H。壓電振子的激勵(lì)方式選定為慣性自由振動(dòng)式，其對(duì)應(yīng)的懸臂梁壓電振子的邊界條件為一端固定，一端自由夾持[6]。在ANSYS軟件中，Solid5、Solid98和plane13單元可以用做壓電材料仿真，Solid5單元三維耦合場(chǎng)實(shí)體，Solid98單元是四面體耦合場(chǎng)實(shí)體，plane13單元是二維耦合場(chǎng)實(shí)體。在這里采用Solid5更適合雙晶壓電懸臂梁的建模，金屬板采用Solid45單元，忽略粘結(jié)層的影響，并假設(shè)壓電陶瓷和金屬板之間的力與位移是連續(xù)的。

對(duì)不同截面形狀的懸臂梁壓電振子進(jìn)行ANSYS分析，可以得到不同截面形狀的壓電振子是不同的，三角形的輸出電壓最大，梯形次之，矩形最小。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三角形，梯形和矩形截面的懸臂梁壓電振子建立數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其發(fā)電能力進(jìn)行數(shù)值模擬與有限元分析。研究結(jié)果表明，數(shù)值分析與有限元分析的結(jié)果吻合。在使用相同的壓電材料情況下，三角形壓電振子的發(fā)電輸出特性最大，約是矩形懸臂梁壓電振子的3倍，梯形懸臂梁壓電振子的發(fā)電輸出特性次之，矩形懸臂梁壓電振子的發(fā)電輸出特性最差。

參考文獻(xiàn)：

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