悬臂梁压电俘能器的建模研究

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双晶压电悬臂梁发电装置的建模与有限元仿真分析

第９期
２１００年９月
文章编号：０１３９（０００ — ０３０１０ — ９７２１）９００ — ３
机械设计与制造
ＭａｈｎｒＤｅｉｎｃｉｅｙｓｇ＆Ｍａｕｆｃｕｅｎａｔｒ３
双晶压电悬臂梁发电装置的建模与有限元仿真分析
ｉ附近输出压最大。定的激励条件下为电在固提高双晶压电悬臂梁的放电能力，应该在保证可靠度和固ｌ有
；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。
；ｊ关键词：压电悬臂梁；ＮＹ；ＡＳＳ发电；耦合场；谐响应【ｂｔｃ】ａｅｅｈｏｐｅｏｌｔｃｙｎｅｏｙａｉｅｕｉｉｍｔｍｔＡｓａｔＢｓｄｏｔｅｒｏｉｅｃｉｔａｄｔｒｄｎｍｃｑｉｒｍ，ａｅａｃｒｎｈｔｙｆｚｅｒｉｈｍｌｕｂｈｉ
ｌ
ｇｅｅｗｓｃｈｍｅｈａｉｃｔｏａｅｎｉｈａｚｂａｍｏ１Ｐｒ乩ｓｄｅａｌ。ｇｍｏｄｒｈｅｌ砒ｙｔｃｍＰｄＴ．ｅｈｌｎａｈｃｔｉｔ
；ｂｍｒｈｃｔｅｅｅｅａｏｓｂａａｉｌｌｃｉｏａｅａｏｎｈｒｎｆｅｕｎｙＩｅｘｄｉ－；ｉｏａｉｖｒｎｒｒｏｔｎｍｘｍａｅｅｔｃｖｌｕｄｉｅｅｔｑｅｃ．ｎｔｅｐｎｌｇｔｉｒａｔｒｌｇｎｒｈｆｉｎ
；ｓｕｔｒｉｆｂｍｒｈｃｎｉｖｒａｅａａｚｄａｄｔｅｉｕｎｅｏｔｃｕａｉｄｔｅｅｃｉｇ；ｔｃｕａｓｅｏｉｏｐａｔｅｅｎｙｅ，ｎｈｎｅｃｓｕｔｒｓｅａｈｘｉｎｒｌｚｌｒｌｌｆｆｒｌｚｎｔ

基于压电悬臂梁的振动能量获取装置的建模及数值仿真

基于压电悬臂梁的振动能量获取装置的建模及数值仿真周璇;王海;李晗;王战;夏小品【摘要】振动能是自然环境中广泛存在的一种能量，振动式发电机可将其提取并转换为可直接利用的电能。

设计了一种用于收集环境中低频振动能的三质量块压电悬臂梁装置，利用压电薄膜的正压电效应将机械能转化成电能。

建立悬臂梁的数学模型，用ANSYS软件建立悬臂梁的仿真模型，然后对其进行模态分析，耦合分析，谐响应分析并绘制出压电振子的频率-电压曲线图。

研究结果表明该悬臂梁产生的电压可以满足无线传感器节点的使用要求，且优于单质量块悬臂梁。

% Vibration generator can extract and convert vibration energy that exists in the natural environment into electric power. A design proposal of a piezoelectric cantilever beam with three mass blocks makes use of direct piezoelectric effect to extract low-frequency vibration energy. This paper is aimed at establishing the mathematical model of the cantilever beam, using ANSYS software to establish the simulation model of the beam, and then using the modal analysis, coupling analysis, harmonic response analysis and it maps out the curve of frequency-voltage. The results shows that Piezoelectric Cantilever Beam with three mass blocks is superior to only one mass block,and the voltage generated from the cantilever beam can satisfy wireless sensor nodes.【期刊名称】《巢湖学院学报》【年(卷),期】2013(000)003【总页数】5页(P98-102)【关键词】振动能;压电悬臂梁;三质量块;ANSYS【作者】周璇;王海;李晗;王战;夏小品【作者单位】安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000;安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000;安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000;安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000;安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000【正文语种】中文【中图分类】TK-91 引言现今人们对环境问题格外重视，无线传感器网络的研究正受到越来越多的关注，研究内容分布也非常广泛，涵盖了从理论到实现、从节能到安全等多个方面。

压电悬臂梁机电耦合系统的建模及动力学特性分析

压电悬臂梁机电耦合系统的建模及动力学特性分析张梦倩;宋汉文【摘要】基于压电能量采集器中最为经典的压电悬臂梁模型展开研究.考虑悬臂梁的阵型信息和轴向应变分布,这导致与梁耦合的压电片的电边界条件复杂.分别基于均匀电场分布和均匀电位移分布的两种不同电边界条件,深入探讨压电悬臂梁的机电耦合原理和耦合特性,并建立机电耦合系统的数学模型;在传统一阶能量采集电路的基础上,在电路中加入电感,建立二阶电路,并改进数学模型;对于加入电感后的模型,2阶电路可以与其耦合的n自由度机械系统共同构成一个n+1自由度系统,从而可对耦合系统进行系统整体的仿真分析,同时深入研究不同电路元件对系统采集效率的影响,发现电感的加入可极大提高系统能量采集效率.%Cantilever beams with piezoelectric ceramic layers have been frequently used as piezoelectric vibration energy harvesters. The most classical piezoelectric cantilever model d31 of the piezoelectric energy harvesters (PEH) is studied in this paper. The exact analytical solution of the cantilever PEH is presented based on Euler-Bernoulli beam assumption. The influence of dynamic mode shape and strain distribution of the cantilever PEH is considered. The mathematical model of the cantilever PEH is established and the electro-mechanical coupling principle and characteristics are deeply analyzed with the two boundary conditions of uniformly distributed electric field and uniformly distributed electric displacement respectively. Based on the traditional PEH of order one, an inductance is added to the circuit to establish a second order circuit and improve the mathematical model. In the improved model, a new system with n+1 DOFs is obtained bycombining the second order circuit with the n-DOF oscillatory system so that the global simulation of the coupled system can be realized. In addition, the influence of different elements of the circuit is analyzed. It is found that the added inductance can greatly increase the energy-harvesting efficiency of the PEH.【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】7页(P7-12,22)【关键词】振动与波;压电悬臂梁;机电耦合模型;系统仿真;功率优化【作者】张梦倩;宋汉文【作者单位】同济大学航空航天与力学学院,上海 200092;同济大学航空航天与力学学院,上海 200092【正文语种】中文【中图分类】O32随着微电子（MEMS）技术的飞速发展，新型微能量采集器得到高度重视。

压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析

压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析一、本文概述随着能源危机和环境问题的日益突出，绿色、可再生的能源技术成为了全球研究的热点。

其中，压电发电技术作为一种新型的无源能量收集方式，因其能够将环境中的机械能转化为电能，受到了广泛关注。

压电悬臂梁作为压电发电装置的核心部分，其发电性能直接影响到整个装置的能量转换效率。

因此，对压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析，不仅有助于深入理解其发电机制，而且可以为装置的优化设计提供理论依据。

本文旨在探讨压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析方法。

我们将对压电悬臂梁的基本工作原理进行概述，包括压电效应的基本原理和压电悬臂梁的工作机制。

我们将详细介绍压电悬臂梁发电装置的建模过程，包括力学模型、电学模型以及机电耦合模型的建立。

在此基础上，我们将利用仿真软件对模型进行仿真分析，研究不同参数对压电悬臂梁发电性能的影响。

我们将总结分析结果，提出优化压电悬臂梁发电装置的建议和展望未来的研究方向。

通过本文的研究，我们期望能够为压电发电技术的发展提供有益的理论支持和实践指导，推动其在能源收集领域的广泛应用。

二、压电悬臂梁发电装置理论基础压电悬臂梁发电装置的核心理论基础主要源于压电效应。

压电效应，即某些晶体在受到机械力作用时，其内部正负电荷中心会发生相对位移，从而在晶体表面产生电势差的现象。

这种效应允许机械能直接转化为电能，为悬臂梁发电装置提供了理论基础。

在压电悬臂梁发电装置中，悬臂梁作为主要的能量转换元件，当受到外部激励（如风、振动等）作用时，梁体会发生形变，进而产生压电效应。

此时，悬臂梁的表面会产生电荷分布，形成电势差，从而输出电能。

为了深入理解和优化压电悬臂梁发电装置的性能，需要对其进行数学建模。

常见的建模方法包括集中参数模型和分布参数模型。

集中参数模型主要关注悬臂梁的整体动态特性和压电效应，适用于低频、大振幅的情况。

而分布参数模型则考虑悬臂梁的详细结构和振动模态，适用于高频、小振幅的情况。

双晶压电悬臂梁俘能器的建模与仿真

双晶压电悬臂梁俘能器的建模与仿真
王新掌’ ，郝少帅，许孝卓，李红磊
（河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作４５４０００）
摘
要：针对双晶片悬臂梁式压电俘能器的优化问题，考虑悬臂梁末端位移与质量块质心位移的差异，对
ｈａｒｍｏｎｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｌｙａｓｉｓｏｆｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒｍｏｄｅｌａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｈｓｓｈｏｗｔｈａｔｍｏｄｉｉｆｅｄｍｏｄｅｌｉｓｍｏｒｅ
Ｒｏｕｎｄｙ数学模型进行了修正。通过ＡＮＳＹＳ有限元软件对俘能器建模并进行模态分析和谐响应分析，当质量块长度逐渐变大时，修正后数学模型对俘能器一阶固有频率和输出电压有更好的预测精度。研究了
质量块形状和负载对俘能器输出特性的影响规律，发现在质量块质量不变时，提高质量块的质心高度能提
２０１７年第３６卷第４期
传感器与微系统（ＴｒａＪ１ｓｄｕｃｅｒａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
１５
ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－－９７８７（２０１７）ｏ４－ｏｏ１５－ｏ４
ＭｏｄｅｌLeabharlann ｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｂｉｍｏｒｐｈｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ

悬臂梁式压电振动能采集器的建模及实验验证

悬臂梁式压电振动能采集器的建模及实验验证
贺学锋，杜志刚赵兴强。温志渝，，印显方
，
，
（．１重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室重庆４０４；．００４２重庆大学微系统研究中心，重庆４０４）００４
摘要：了根据环境振动和电学负载的特点对悬臂梁式微型压电振动能采集器进行优化，文考虑质量块质心与悬臂梁为本末端的位置差异，立了在基础激励作用下采集器的运动微分方程和边界条件。通过引入常数，立了对单压电层、建建双
（．ＫｅａｏａｏｙｏｐｏｌｔｏｉＴｃｎｌｇｎｙｔｆｔｅ１ｙＬｂｒｔｒｆＯｔｅｅｒｎｃｅｈｏｏｙａｄＳｓｍｓｃｅｏｈ
ＥｕａｉｎｉｉｔｙｏｈｎｄｃｔｎｓｆＣｉａ，ＣｏｇｉｇＵｉｅｓｙ，ｈｎｑｎ００４ＣｉａｏＭｒｈｎｑｎｎｖｒｉＣｏｇｉｇ４０４，ｈｎ；ｔ
第１９卷

第８期
光学精密工程
ＯｐｉｓａｄＰｒｃｓｏＥｎｇｎｅｉｔｃｎｅｉｉｎｉｅｒｎｇ
Ｖｏ＿９Ｎｏ８ｌ１．
Ａｕ２ｇ．０１１
２１０１年８月
文章编号
１０ —２Ｘ２１）８１７ — ８０４９４（０１０ — ７１０
压电层并联和双压电层串联的３悬臂梁式微型压电振动能采集器均适用的耦合电路方程，到了采集器固有频率和个得振型的表达式，导了简谐基础激励和任意基础激励作用下的输出电压表达式。实验结果显示，于３个振动能采集器推对

线性悬臂梁式压电振子的理论分析与仿真

Zhuangbei Yingyong yu Yanjiu♦装备应用与研究线性悬臂梁式压电振子的理论分析与仿真杨晋宁曹雅莉（甘肃机电职业技术学院，甘肃天水741001）摘要:悬臂梁式压电俘能系统的输出电压和功率与压电振子的结构尺寸、外界激振频率等都有着密切的联系。

同时，线性压电振子当与环境振动激励产生共振时才能获得最大的输出功率，而其固有频率又与压电振子的结构尺寸等参数有关。

因此，为了在实际应用中提高俘能效率，参数悬臂梁式压电俘能系统性能的°悬臂式压电振子结构了相关的理论分析，并通过COM+OL Multiphysics有限元软件，对系统输出电压和功率受外界激振频率、负载、外激励加速度的影响规律进行了仿真分析，而为悬臂式压电振子结构，系统固有频率提供了参X关键词：压电振子；固有频率;激振频率；负载;仿真0引言界中的能，其中振动能、用的能2其能时受到时、、环境等因素的X能其为电能2有电子、实时的能X实际上2利用界中的振动电提动力，可振动能为机电系统的电能X用压电效应理在环境中的振动能有高的能密、环保、高输出电压和功率实结构等，因而关⑴X在理论中，压电式悬臂梁为压电式振动俘能系统结构的等效k用线性动学其建模与分析，故常将它称为线性悬臂梁式压电振子X文为了步提高能量换效率，在对悬臂梁式压电振子结构和尺寸理论分析的础上，利用COMSOL Multiphysics,外界激振频率等参数对输出电压和功率的分析，为悬臂梁式压电振子结构提理论参X!压电能量收集器的理论分析1.1基本结构和原理能量中最典的结构悬臂梁式，其具有诸点X为步提高能量换效率，使压电结构的固有频率、外界激振频率和三者有效匹配起来k文采用压电效应理下的矩形悬臂梁结构k如图1示X该结构的中间层用铜材料的金属k在的下方各粘有一层很薄的PZT-5H压电陶瓷k用串联连接的输出方式k构成双晶压电振子k Z轴为极方向°压电振子的左端固定，另一端放置一个材料为45钢的质量块,用压电结构的固有频率k便外界频环境中的振动能量X在外界振动的激励下，将会激压电振子振动而发生弯曲形,使上下两片PZT-5H压电陶瓷分别受到拉伸和压缩用，结合压电效应原理此时外输出电压°该结构采用激励方向与极化方向相垂直的＜=1振动式，使其共振频项目名称：2019年度甘肃省高等学校创新能力提升项目（2019A-238）图1矩形悬臂梁式压电结构率更，更与外界环境产生共振°悬臂梁式压电结构尺寸参数如表1所示X表1悬臂梁式压电结构尺寸参数名称参数数值/mm压电振子长度'50.00压电振子宽度%20.00基体厚度0.25PZT-5H厚度0.20质量块长度'n8.00质量块宽度20.00质量块厚度& 2.001.2固有频率根据文献［2-3"提出的分布式参数动学，在忽略质量惯性矩和剪切变形影响的前提下，线性悬臂梁式压电振子等效为一个Euler#B ernou l li梁，然后利用Euler#Bemou l li方程其机电耦合行为进行建模X过理论推导k得到计算各阶固有频率的公式⑷：■fi t，匸1，2,…⑴式中为压电振子的弹性量;p为压电振子的等效密'为压电振子的％为压电振子的宽度；&为压电振子的厚度（&=&e十2&p）x由（1）式可看出k压电振子的与$、％和&之间呈正比关系k 与P和'关系X当压电振子的一端放质量块时k相当了P的大小k从而起的作用X2有限元分析在COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件中，按照表1示数据对悬臂梁式双晶压电振子三建，如图2示°过k得压电振子的表应图，如图3示，"込位于压电振子根部，为使压电振子产生更多的电能,压电装备应用与研'♦Zhuangbei Yingyong yu Yanjiu 片应粘贴于此处冈。

压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究

压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究宋汝君;单小彪;李晋哲;谢涛【摘要】针对微机电系统和传感器等低能耗电子产品的持续供能问题,提出了一种涡激振动式压电俘能器.该俘能器由压电悬臂梁和末端圆柱体组成,结构简单,可在较低水流流速下产生涡激共振,得到较大的能量输出.通过数学建模和实验测试的方法,研究了水流速度和外接电阻对压电俘能器振动和俘能的影响规律.实验结果表明:压电俘能器的振动频率随流速的增大而增大,振动幅值在涡激共振时最大,输出功率受流速和外接电阻两者影响,较小外接电阻适合较高流速,较大电阻适合较低流速,压电俘能器在涡激共振处可获得最大的能量输出,当外接电阻为0.5 MQ、流速为0.41 m/s时,实验测试得到了8.3 μW的最大输出功率.数值分析结果与实验测试结果吻合较好,验证了数学模型的正确性.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2016(050)002【总页数】7页(P55-60,79)【关键词】水流;涡激振动;压电俘能器;俘能【作者】宋汝君;单小彪;李晋哲;谢涛【作者单位】哈尔滨工业大学机电工程学院,150001,哈尔滨;哈尔滨工业大学机电工程学院,150001,哈尔滨;东北林业大学机电工程学院,150040,哈尔滨;哈尔滨工业大学机电工程学院,150001,哈尔滨【正文语种】中文【中图分类】TN384;TP211随着集成电路、MEMS和微传感器等低能耗电子产品的发展,电池供能的方式存在质量大、体积大、存储有限、需要定期更换等诸多弊端,因此亟需一种可持续的能源供给方式。

同时,环境振动能分布广泛,有水动能、风动能、潮汐能、机械振动能等,其中水动能是一种清洁的可再生能源。

压电俘能器是一种结构简单、环境友好、使用寿命长久和无电磁干扰的振动能转换装置,可转换水动能为电能,能够满足低能耗电子产品的供能需求[1]。

既往的研究中,压电俘能器的研究重点集中在俘能器本身结构和俘能性能上,忽略了压电俘能器与环境振动的相互耦合影响[2-3]。

压电梁式获能器获能机理的研究

压电梁式获能器获能机理的研究
陈俊吉;张振杰
【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2024(37)2
【摘要】基于压电理论和欧拉伯努利梁模型建立了悬臂梁式压电获能器的理论模型。

应用哈密顿变分原理推导了控制方程和边界条件,并在建模时考虑容抗的影响。

采用伽辽金法求解控制方程的一般解的形式,分析了获能器在基底处于谐波振动下
的输出功率和输出电压。

研究结果表明,容抗明显降低了获能器的输出功率。

由于
容抗的影响,最佳输出功率和输出电压的外接电阻是不同的,最大输出功率对应的外
接电阻为500 kΩ,最大电压对应的外接电阻为3 MΩ。

在设计时要保证基座振动频率尽可能地接近获能器的固有频率,当基座振动频率与固有频率相等时输出功率和
输出电压达到最大值。

该研究结果为压电获能器的优化设计提供了理论基础,具有
重要的研究意义和工程实用价值。

【总页数】5页(P147-151)
【作者】陈俊吉;张振杰
【作者单位】辽宁科技大学机械工程与自动化学院
【正文语种】中文
【中图分类】O39
【相关文献】
1.哺乳动物精子获能机理及体外研究
2.基于力电耦合模拟的压电悬臂板波激振动获能研究
3.环量控制扑翼式获能器气动特性的数值研究
4.后掠式水平轴潮流能水轮机的载荷与获能特性研究
5.振荡水翼弦向主动变形提高获能效率的机理研究
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一种冲击式悬臂梁压电俘能器的设计与实验

第３９卷第３期压　电　与　声　光Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．３２０１７年６月ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ　＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ　Ｊｕｎ．２０１７收稿日期：２０１６－０７－１４基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１７５３５９）；２０１４年度江苏省第四期“３３３工程”科研基金资助项目（ＢＲＡ２０１４０８６）；“青蓝工程”基金资助项目作者简介：汪红兵（１９７７－），男，安徽省舒城县人，副教授，硕士，主要从事压电驱动与压电俘能技术的研究。

文章编号：１００４－２４７４（２０１７）０３－０４２６－０４一种冲击式悬臂梁压电俘能器的设计与实验汪红兵，孙春华（苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州２１５１０４）摘　要：为提高悬臂梁压电俘能器的俘能效率，提出了一种冲击式悬臂梁压电俘能器。

该俘能器包括多个悬臂梁压电振子，可在风力、人体动力能及环境振动能等多种外载荷作用下产生电能。

俘能器的核心部件是悬臂梁压电振子，通过冲击实验发现悬臂梁压电振子在周期性冲击载荷作用下拓宽了共振频率，同时提高了输出功率。

测试结果显示在频率约为２１Ｈｚ的方波冲击信号下，外接电阻为５０ｋΩ时，单个悬臂压电俘能器最大输出功率可达０．２８ｍＷ；当频率分别为５Ｈｚ、８．５Ｈｚ时，还可分别输出０．０７ｍＷ和０．１７ｍＷ的功率，俘能器出现多个峰值电功率。

研究表明所设计的冲击式压电俘能器可有效提高俘能效率。

关键词：冲击；悬臂梁；压电俘能器；共振；振子中图分类号：ＴＮ３８４文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　ａｎ　Ｉｍｐａｃｔ　Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ＨａｒｖｅｓｔｅｒＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇｂｉｎｇ，ＳＵＮ　Ｃｈｕｎｈｕａ（Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｕｚｈｏｕ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ　２１５１０４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ　ｉｍｐａｃｔ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈａｒｖｅｓｔｅｒ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｉｂｒａｔｏｒｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ　ｈａｒｖｅｓｔｅｒ　ｃｏｕｌｄ　ｇｅｎｅｒａｔｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆ　ｓｏｍｅ　ｏｕｔｅｒ　ｌｏａｄｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｗｉｎｄ，ｂｏｄｙ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒ－ｖｅｓｔｅｒ　ｗａｓｓ　ｔｈｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｉｂｒａｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｔｅｓｔ　ｗａｓｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｓｏ－ｎａｎｃｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓ　ｂｒｏａｄｅｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｉｍｐａｃｔ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍａｌ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｉｂｒａｔｏｒ　ｗａｓ　ａｂｏｕｔ　０．２８ｍＷ　ｗｈｅｎｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｑｕａｒｅ　ｗａｖｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｗａｓｓ　ａｂｏｕｔ　２１Ｈｚ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｗａｓ　５０ｋΩ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｗａｓａｂｏｕｔ　５Ｈｚ　ａｎｄ　８．５Ｈｚ，ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｗａｓ　０．０７ｍＷ　ａｎｄ　０．１７ｍＷ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｉｍｐａｃｔ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈａｒｖｅｓｔｅｒ　ｃｏｕｌｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｍｐａｃｔ；ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ；ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈａｒｖｅｓｔｅｒ；ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ｖｉｂｒａｔｏｒ　０　引言近年来，随着大规模分布式无线传感系统及微功率器的快速发展，传统化学电池供能方式虽在一定程度上满足需求，但存在如体积较大，寿命有限，需要定期更换等缺点［１］。

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．．
【要】摘为深入研究悬臂梁式压电俘能器的作用机理，从压电方程和内能平衡出，发建立了悬臂梁式压电俘能器单晶片压电振子、双晶片串联压电振子和双晶片并联压电振子的电压输出灵敏度数学模型。ＡＳＳ中分别建立了三种压电振子的有限元模型，在ＮＹ仿真得到三种压电振子的基板厚度与输出电压
中图分类号：Ｈ１，Ｎ８，Ｍ６９文献标识码：Ｔ６Ｔ３４Ｔ１Ａ
１言引
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为电能有静电式、电磁式和压电式三种方法。压电俘能装置利用压电材料的振动来实现机械能向电能的转换，常用的有矩形和圆
ｐｉｚｅｅｔｉｅｏａｈｉｈｅｔｏｔｔｖｌｇ．ｅｏｌｃｒｃｓｎｒｈｓｔｅｈｇｓｕｐｕｏｔｅｓａＫｅｒ：ｅｏｌｃｒｃｅｒｙｈｖｓｉｙｗｏｄｓＰｉｚｅｅｔｉｎｅｇａｒｅｔｎｇ；ｎｔｌｖｒｂｅｍ；ｏｌＣａｉｅｅａＭｄｅｉｎｇ；ｎｉｅｅｅｅａｙｓｓＦｉｔｌｍｎｔａｎｌｉ
卢有为单小彪袁江波谢涛（哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨１００）５０１
Ｍｏｅｉｇｏｉｚｅｅｔｉａｔｅｅｎｒｙｈｒｅｔｇｄｌｆｐｅｏｌｃｒｃｎｉｖｒｅｅｇａｖｓｉｎｃｌｎ
ｒＴｅｎｔｅｍｎｍｄｌｏｔｅｅｔｒｅｋｎｓｓｎｏｓｅｅｒａｅＮＹ．ｏｆｉｌｅｔＭｈｆｉｌｅｔｅｓｈｓｅｉｄｅｓｒｗｒｃｅｔｉＡＳＳＢｔｉｔｅｍｎｉｅｅｏｆｈｆｏｄｎｈｎｅｅ
ｊｅｒｌｉｎｈｐｂｔｅｎｔｅｏｔｕｖｌｇｎｅｔｉｎｓｏａｔａｅ．ｅｓｒｓｔｐｅｌｅｐｅｏｉｅｅｕｔｏｔｅａｄｔｈｃｅｓｆｅｉｌｒＴｅｉｒｌａｒｔｅｔａｓｗｈｐａｈｋｌｃｙｈｓｅｉｙｙ
的关系曲线，仿真结果表明串联双晶片压电振子的输出电压值最高，且数值模拟曲线和有限元仿真曲线
基本吻合，验证了建立数学模型的正确性。
关键词：电俘能；压悬臂梁；建模；限元分析有
【ｂｔａｔｎｏｄｒｏｓｄｅｍｃａｉｎｉｖｒｉｏｌｃｉｈｒｅｔ，ｅｍｔｅａｉａ；Ａｓｒｃ】／ｒｅｔｙｔｅｈｎｓｏｃｔｅｅｅｅｔｃａｖｓｒｔａｈｍｔｌｔｕｈｍｆａｌｐｚｅｒｅｈｃ
ｍｄｌｏｕｉｏｈｉｏｌｔｃｓｎｏ，ａａｌｉｅｌｅｐｉｏｌｔｃｓｎｏ，ｎｒｓｒｌｌ — ｏｅｓｎｍｒｅｅｅｒｅｓｒｒｌｌｒｌａｒｙｅｅｅｅｒｅｒａｄｓｉｉｅａｆｐｐｚｃｉｐｅｔｐｙｔｐｚｃｉｓｅｅｔｐｙ
ＬＹｏ — ｉＳＵｕｗｅ，ＨＡＮＸｉｏｂａ，ａ — ｉｏＹＵＡＮＪａｇｂ，ＥＴｏｉｎ－ｏＸＩａ
（ｃｏｌｆｃａｒｎｃｎｉｅｒｇＨｒｉＩｓｔｔｏｅｈｏｇ，ａｂｎ１００，ｈｎ）Ｓｈｏｏｈｔｉｓｇｎｅｉ，ａｂｎｎｔｕｅｆｃｎｌｙＨｒｉ５０ＣｉａＭｅｏＥｎｉＴｏ１
机械设计与制造
１ｌ８ＭａｈｎｒＤｅｉｎｃｉｅｙｓｇ＆Ｍａｕａｔｒｎｆｃｕｅ
第５期２１００年５月
文章编号：０１３９（０００一１８０１０ — ９７２１）５Ｏ～３１
悬臂梁压电俘能器的建模研究
ａａｙｉｏｕｔｄｂｎｓｓｃｎｄｃｅｙＡＮＳｎｄｎｕｒｃｉｕａｉｎｃｎｃｅｂＡＴＬｌＹＳａｍｅｉａｓｍｌｔｏｏｄｕｔｄｙＭｌＡＢｓｉｏｄａｅｍｅｔｏｗａｎｇｏｇｒｅｎｎ
ｅｐｅｐｉｚｅｅｔｉｅｏｒｓａｌｈｄａｅｏｅｏｌｃｒｃｅａｉｎｎｈｒｄｎａｉｑｉｉ — ｒｔｅｏｌｃｒｃｓｎｒｗｅ ห้องสมุดไป่ตู้ ｅｔｂｉｅｂｓｄｎｐｉｚｅｅｔｉｑｕｔｏｓａｄｔｅｍｙｍｃｅｕｌｂｙｓｓｏ