基于ANSYS压电悬臂梁发电性能研究

戴伟楠+周震源

摘 要：文章利用有限元分析软件ANSYS，对某压电悬臂梁进行了分析，得到了压电悬臂梁发电能力与基体材料及几何尺寸间的关系，并依据分析结果对压电俘能器进行了结构优化，最后将优化结果进行了实际检验，得出了俘能器在共振环境下的电压及功率，为今后相关的工程设计提供了理论参考。

关键词：压电俘能器；压电材料；能量捕获；发电性能

中图分类号：TH6；TN384 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）29-0001-02

1 引 言

传统化学电池以自身独特优势，如成本低、供能方便等，一直以来深受市场的欢迎。但随着市场需求的发展，其缺点也逐渐显露出来，如电池寿命短，需经常更换；对环境污染较为严重，等。针对上述现象，传统电池已无法满足当今社会可持续发展的需求。

当今社会已步入网络时代，其微器件的数目也随着网络时代的发展变得越来越庞大，且某些元器件的位置由于结构复杂也变得难以触及，故其电池的更换就更不可能了。因此，微电子的无线供能已成为当今社会迫切解决的问题。结合微电子自身能耗小的特点，可直接在其工作环境（如温差、振动、噪声及太阳能等）中提取所需能量。在实际应用中，由于温差及太阳能供能技术受自然环境约束难以得到广泛应用，但噪声及振动可以说几乎无处不在，且能量密度较高，所以解决微电子产品能源供应的唯一方法就是如何通过电磁感应、静电和压电效应等技术，研制出一种俘能器，能直接从微电子器件工作环境中俘获振动能量并为其供能。目前，由压电材料制造而成的俘能装置，以结构简单、发热小、无污染等优势，备受社会关注。

对俘能装置的研究，国外已取得较多成果，而国内仍处于起步阶段，本文将对某压电俘能装置的结构进行分析研究，以便为相关工程研究提供理论参考。

2 压电俘能器有限元模型建立

对某型号压电俘能器进行有限元分析，建模的压电材料选取，基体材料选取弹性材料，如：铝等。

该类型俘能器发电装置的发电能力主要由基体材料及梁尺寸决定，这里主要是对梁尺寸及受力进行研究，以观察其对发电能力的影响。

通过ANSYS进行建模分析，基体选取，压电选用，所建的几何模型，如图1所示（压电片离端部10 mm）。

在用ANSYS进行分析时，首先选用铝材进行分析，基体选用单元来仿真，压电片选用单元来模拟。压电俘能器的几何模型和有限元模型如图1所示（压电片贴在距离端部的位置）。将上述模型以不同材料进行分析，材料属性，如表1所示。

在梁的端部施加的集中力，分析结果，如图2所示。从图中可以得出，在相同工况下，铝作为基体材料，俘能器产生的电压最强，铍青铜次之，碳素纤维第三。因此，实验应选取铝材作为基体材料。

通过分析基体不同尺寸对俘能装置的影响，得出结果如图3、图4、图5和图6所示。

从图3-图6可以得出：梁产生的电压与端部受力成正比，且处于线性关系；梁产生的电压与基体宽度成反比，且不成线性变化，即宽度增加电压下降；梁产生的电压与基体长度成正比，且不成线性变化。

3 压电俘能器模态与谐响应分析

利用有限元分析软件ANSYS进行上述静力学分析，得出了梁的材料及几何参数。这里将对压电俘能器进行模态分析，研究悬臂梁自由端质量块与俘能器固有频率间的关系，研究结果如图7和图8所示。

俘能器的能量源一般是外界环境的振动，而外界环境的振动频率一般为20 Hz以下，结合基体几何尺寸和材料对发电能力的影响，我们选择的俘能器的长、宽、高分别选择100 mm、10 mm、1 mm；压电的长、宽、高分别为10 mm、10 mm、1 mm；自由端的质量块的质量为5 g。

4 振动能量俘获试验

振动能量捕获实验台可以分为硬件和软件部分，硬件部分由激振系统、复合悬臂梁、传感单元和数据采集卡组成，软件部分主要是用Labview软件编程建立数据采集系统。

将压电悬臂梁在不同频率下进行工作，得出结果如图9和图10所示。从图中可以得出：当激振频率为14 Hz时，梁产生了共振现象，在共振状态下幅值电压可达10 V，输出功率可达。

5 结 语

本文通过有限元分析软件ANSYS，研究了不同基体材料及尺寸对俘能装置的影响，并讨论了质量块对俘能装置固有频率及发电能力的影响，最后确定了俘能装置的几何参数及材料，并通过实际检验，取得了较为理想的效果。

参考文献：

[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] 钱伟长.变分法及有限元[M].北京：科学出版社， 1980： 53-147.

[5] 王磊.多谐振频率压电能量回收结构特性及实验研究[D].北京：北京交 通大学，2010.

[6] 胡洪平.低频压电俘能器研究[D].武汉：华中科技大学，2006.