双晶压电悬臂梁发电装置的建模与有限元仿真分析

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1、第9期机械设计与制造2010年9月MachineryDesign&Manufacture3文章编号：1001—3997(2010)09—0003—03双晶压电悬臂梁发电装置的建模与有限元仿真分析王军龙鲍丙豪闻凤连龚勇镇(江苏大学机械工程学院，镇江212013)ModelingandanalysisofbimorphcantilevergeneratorsWANGJun-long，BAOBing-hao，WENFeng～lian，GONGYong—zhen(SchoolofMechanicalEngineering，Jiangs

2、uUniversity，Zhenjiang212013，China)l【摘要】基于压电原理和热力学平衡方程，建立了双晶压电悬臂梁的数学模型，并运用有限元分析l；软件ANSYS对双晶压电悬臂梁的结构进行了模态分析和谐响应分析，对梁的各个尺寸参数以及激励方；：式对输出电压的影响进行了静力分析，分析结果与数学模型的预测是一致的。研究表明：在梁的固有频率；i附近输出电压最大。在固定的激励条件下为提高双晶压电悬臂梁的放电能力，应该在保证可靠度和固有l；频率的前提下，尽量增加梁的长度、减小梁的宽度，并选取合适的金属板与压电陶瓷的厚度。；；

3、关键词：压电悬臂梁；ANSYS；发电；耦合场；谐响应ij【Abstract】Basedonthetheoryofpiezoelectricityandthermodynamicequilibrium，mathematic一jlelwasestablished．Byusingthefiniteelementsoj~wareofANSYS，modelandharmonicresuhsofthel；structuralsizeofbimorphcantileverareanalyzed，andtheinfluenceofstruct

4、uralsizeandtheexciting；5methodofbimorphcantileveronstaticoutputvoltageareanalyzed．AlltheseresultsobtainedfromFEA5lgo。dagreemenwihhosecalcz砒bymathPmmode1．ThPearch乩ltsindicatehatl；bimorphcantilevergeneratorsobtainmaximalelectricalvoltagearoundinherentfrequency．Inthefi

5、xedin-；6centivecondition，increasethelengthofcantileverbeamandminimizethewidthofcantileverbeam，select5lthesuitablethicknessofPZTlayerandmetallayerwiththeprerequisiteforsatisfyingstructurereliabilityl；andinherentfrequencyinordertogeneratemoreelectricalenergy．；{Keyword

6、s：Piezoelectriccantilever；ANSYS；Electricalenergygeneration；Coupled-field；Har-{!⋯⋯⋯⋯M⋯MM⋯⋯⋯⋯¨⋯～⋯一】一】o．中图分类号：THI6，TN384文献标识码：A1引言2双晶压电悬臂梁数学模型的建立随着无线电技术的飞速发展，已研制出大量的无线传感器产2．1双晶压电悬臂梁的结构品，应用于各种检测领域。但无线传感器的供能问题仍然是个有由于压电陶瓷硬而脆，通常将其粘结在金属上构成压电振待解决的热门研究课题，现有的无线传感器依然采用传统的供能子。实际

7、应用中，压电振子存在很多种支撑方式，其中悬臂梁支撑方式，而传统的供能方式存在寿命短、需要经常更换等缺点。为克方式具有共振频率较低和柔顺系数较大的特点，比较适合于压电服传统供能的缺点，人们发现从环境中直接获取能量、供能是一自供电领域。悬臂梁结构分为单晶和双晶压电梁，这里我们只对种很好的替代方法。从环境中获取电能的方式有压电式、电磁式、双晶压电悬臂梁结构进行分析。其中双晶压电梁根据电量输出方静电式。其中基于压电陶瓷的自供电技术由于具有结构简单、不式可分为串联和并联双晶压电粱，如图1所示。发热、无电磁干扰、寿命长等优点，已成为国际上

8、研究的热点_1_。但压电式发电装置的输出功率太小依然是困扰其广泛应用的一大ylIFll障碍，因此如何提高压电发电的输出功率成为近几年研究的关键

9、问题。压电陶瓷极化，在提高压电发电量方面，以往实验表明，双晶压电发电悬臂串联双晶压电梁串联双晶压电梁梁的发电能力大于单晶压电发电悬臂