本文關(guān)鍵詞： 壓電發(fā)電 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 螺旋形基板 實(shí)驗(yàn)研究 有限元分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化　出處：《揚(yáng)州大學(xué)》2016年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著MEMS技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)的飛速發(fā)展,手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品極大的豐富和方便了人們的生活和工作。但在能量供給方面,依然采用著傳統(tǒng)的供能方式,即利用化學(xué)能電池作為主要的能量供應(yīng)裝置。雖然化學(xué)能電池有其方便之處,但需要經(jīng)常更換、浪費(fèi)材料、污染環(huán)境、回收困難等問題日益突出,迫切需要尋求新的供能裝置。壓電發(fā)電裝置是最為常用的振動(dòng)式能量收集器,主要通過壓電陶瓷的正壓電效應(yīng),將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。由于該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工方便,不會(huì)向環(huán)境中排放有毒有害物質(zhì),限制條件少等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為一種新型的節(jié)能環(huán)保發(fā)電裝置。壓電發(fā)電裝置所采集到的能量與振動(dòng)的幅值、頻率、幾何尺寸有關(guān),其中,頻率是個(gè)至關(guān)重要的因素。當(dāng)振動(dòng)頻率接近裝置的諧振頻率時(shí),振幅最大,獲取的電壓和功率可以達(dá)到峰值。因此,壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與所涉及的應(yīng)用環(huán)境是密切相關(guān)的,所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在使用時(shí)必須基于振動(dòng)頻譜的基本特性。目前主要是通過延長(zhǎng)梁的長(zhǎng)度和在末端增加質(zhì)量塊來(lái)降低結(jié)構(gòu)的諧振頻率,但延長(zhǎng)梁的長(zhǎng)度在微機(jī)電系統(tǒng)中顯然是不合理的,沒有足夠的空間,增加質(zhì)量塊來(lái)降低結(jié)構(gòu)的諧振頻率其效果也同樣有限。這樣,就會(huì)大大降低換能器的換能效率。針對(duì)此問題,本文提出了一種可以有效降低諧振頻率,且無(wú)需大幅度增加梁長(zhǎng)度的新型幾何結(jié)構(gòu)裝置。通過將直梁改為螺旋形,并在其上布置可以滑動(dòng)的質(zhì)量塊,通過質(zhì)量塊的滑動(dòng)可以很方便地調(diào)節(jié)裝置的固有頻率,解決了現(xiàn)有壓電發(fā)電裝置諧振頻率高、外界振動(dòng)頻率與裝置的固有頻率不匹配等問題,大大提高了壓電發(fā)電裝置的發(fā)電能力。本文首先設(shè)計(jì)了新型的螺旋形基板,然后制作了螺旋形壓電發(fā)電裝置實(shí)物模型,并搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)裝置的固有頻率和開路輸出電壓進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,同時(shí)對(duì)發(fā)電裝置進(jìn)行了模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)發(fā)電特性分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,螺旋形壓電發(fā)電裝置的固有頻率較低,發(fā)電裝置上可以粘貼多個(gè)發(fā)電電壓都較大的壓電片。然后基于ANSYS 14.5有限元軟件,建立了螺旋形壓電發(fā)電裝置的有限元分析模型,對(duì)裝置進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析及壓電耦合分析,并將有限元分析計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較,經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),其固有頻率和發(fā)電電壓的相對(duì)誤差均不超過10%,從而驗(yàn)證了有限元分析計(jì)算模型的正確性。在此基礎(chǔ)上,利用有限元軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋形壓電發(fā)電裝置進(jìn)行模擬仿真,通過改變裝置的配重、長(zhǎng)度即圈數(shù)、寬度、層間距及厚度等參數(shù),來(lái)分析其對(duì)裝置的固有頻率與發(fā)電電壓的影響規(guī)律,以便設(shè)計(jì)出適應(yīng)環(huán)境的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型,從而獲得具有最佳發(fā)電性能的壓電發(fā)電裝置。
[Abstract]:With the rapid development of MEMS technology and radio technology, mobile phone, digital camera, notebook computer and other electronic products have greatly enriched and facilitated people's life and work. But in the aspect of energy supply. Chemical energy battery is still used as the main energy supply device. Although chemical energy battery has its convenience, it needs to be replaced frequently, waste materials and pollute the environment. The difficulty of recovery is becoming more and more serious, so it is urgent to find new energy supply devices. Piezoelectric power generation device is the most commonly used vibratory energy collector, mainly through the piezoelectric ceramic positive piezoelectric effect. The device has the advantages of simple structure, convenient processing, no discharge of toxic and harmful substances into the environment, and less limiting conditions. It has become a new type of energy saving and environmental protection power generation device. The energy collected by piezoelectric power generation device is related to the amplitude, frequency and geometric size of vibration. Frequency is a crucial factor. When the vibration frequency is close to the resonant frequency of the device, the amplitude is maximum and the voltage and power obtained can reach the peak. The structure design of piezoelectric power plant is closely related to the application environment involved. The design of the structure must be based on the basic characteristics of the vibration spectrum. At present, the main way to reduce the resonant frequency of the structure is to extend the length of the beam and increase the mass block at the end. However, it is obviously unreasonable to extend the length of beam in MEMS, there is not enough space, and the effect of increasing mass block to reduce the resonant frequency of the structure is also limited. The efficiency of the transducer will be greatly reduced. In order to solve this problem, this paper proposes an effective method to reduce the resonant frequency. By changing the straight beam into a spiral shape and placing a slidable mass block on it, the new geometric structure device does not need to increase the length of the beam by a large margin. The natural frequency of the device can be easily adjusted by the slippage of the mass block, which solves the problems of high resonance frequency of the existing piezoelectric power generation device and the mismatch between the external vibration frequency and the natural frequency of the device. Firstly, a new spiral substrate is designed, and then the physical model of the spiral piezoelectric power generation device is made. The natural frequency and open circuit output voltage of the device are tested on the test platform, and the modal analysis and dynamic generation characteristic analysis are carried out. The experimental results show that. The natural frequency of the spiral piezoelectric power generation device is low, and the piezoelectric plates with larger generation voltage can be pasted on the generating device. Then, the finite element software based on ANSYS 14.5 is used. The finite element analysis model of spiral piezoelectric power generation device is established. Static analysis, modal analysis and piezoelectric coupling analysis are carried out, and the results of finite element analysis and experimental test are compared. By comparison, it is found that the relative error of the natural frequency and the generation voltage is not more than 10, which verifies the correctness of the finite element analysis and calculation model. The finite element software is used to simulate the spiral piezoelectric power generation device with different structure parameters. By changing the weight of the device, the length is the number of cycles, the width, the interval between layers and the thickness of the device. In order to design the optimal structure model to adapt to the environment, the piezoelectric power generation device with the best generation performance is obtained by analyzing its influence on the natural frequency and generation voltage of the device.
【學(xué)位授予單位】：揚(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM619

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