雙晶壓電懸臂梁俘能器的建模與仿真*

王新掌， 郝少帥， 許孝卓， 李紅磊

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000)

雙晶壓電懸臂梁俘能器的建模與仿真*

王新掌， 郝少帥， 許孝卓， 李紅磊

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000)

針對雙晶片懸臂梁式壓電俘能器的優(yōu)化問題，考慮懸臂梁末端位移與質(zhì)量塊質(zhì)心位移的差異，對Roundy數(shù)學模型進行了修正。通過ANSYS有限元軟件對俘能器建模并進行模態(tài)分析和諧響應分析，當質(zhì)量塊長度逐漸變大時，修正后數(shù)學模型對俘能器一階固有頻率和輸出電壓有更好的預測精度。研究了質(zhì)量塊形狀和負載對俘能器輸出特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在質(zhì)量塊質(zhì)量不變時，提高質(zhì)量塊的質(zhì)心高度能提高俘能器的發(fā)電能力，對俘能器的結構優(yōu)化具有借鑒意義。

懸臂梁； 壓電俘能器； ANSYS； 諧響應分析

0 引 言

壓電振動俘能器是利用壓電陶瓷的正壓電效應來實現(xiàn)機械能向電能轉換，與其它形式如電磁式、靜電式[1]振動俘能器相比，具有結構簡單、體積小、成本低及能量密度大等優(yōu)點，在軍事、醫(yī)療和建筑等領域已開展了相關的研究[2～4]。

為了對振動式壓電發(fā)電機進行優(yōu)化設計，國內(nèi)外Roundy S[5],Erturk A[6],Kim M[7],賀學鋒等人[8]對懸臂梁式微型壓電振動能采集器的理論模型已經(jīng)開展了一些研究。另外，朱波[9]、龔俊杰[10]和姜德龍等人[11]通過仿真和實驗分析了壓電層和金屬層厚度、長度以及質(zhì)量塊質(zhì)量大小對俘能器輸出特性的影響規(guī)律，而在保持質(zhì)量塊質(zhì)量不變前提下，只改變質(zhì)量塊形狀對俘能器輸出特性的影響卻很少有分析。

針對雙晶壓電懸臂梁式俘能器的集總參數(shù)模型，由于Roundy S等人[5]忽略了懸臂梁末端位移與質(zhì)量塊質(zhì)心位移的差異，導致在質(zhì)量塊與梁長度相當時，模型有較大的誤差。本文在Roundy模型的基礎上，考慮了質(zhì)量塊質(zhì)心位移與懸臂梁末端位移的差異，建立了修正后的數(shù)學模型，并利用ANSYS有限元分析軟件建模對Roundy模型和修正后的模型的結果進行對比，同時,研究了質(zhì)量塊長度以及當質(zhì)量塊質(zhì)量不變時質(zhì)心高度對俘能器一階固有頻率、電壓及功率輸出的影響規(guī)律，為懸臂梁壓電俘能器的優(yōu)化設計提供一定的指導。

1 懸臂梁壓電俘能器理論模型

典型的壓電雙晶懸臂梁結構如圖1 所示，金屬層的上下面表面都貼有壓電陶瓷，固定端固定于基座中，梁的自由端附有質(zhì)量塊。

圖1 壓電雙晶懸臂梁結構

圖2 數(shù)學模型

將俘能器簡化為一個彈簧—質(zhì)量塊單自由度系統(tǒng)。

根據(jù)材料力學，梁的等效慣性矩為

(1)

式中b=(tc+tsh)/2，ηs=csh/cp；csh與cp分別為金屬層和壓電層的彈性系數(shù)。

距固定端距離為x處的懸臂梁彎矩為

(2)

根據(jù)歐拉—伯努利梁方程，梁撓度方程為

(3)

取x=lb，積分求得懸臂梁末端撓度

(4)

考慮懸臂梁末端位移與質(zhì)量塊質(zhì)心位移的差異，這里忽略質(zhì)量塊變形，將其簡化為一個理想剛性體，因此,質(zhì)量塊轉角與懸臂梁自由端轉角相同,則質(zhì)量塊質(zhì)心撓度為

(5)

由壓電層內(nèi)的平均應力

(6)

壓電片應力與應變關系

σ=cpS

(7)

解得

(8)

zm=k2S

(9)

那么，懸臂梁的等效剛度為

(10)

系統(tǒng)的固有頻率為

(11)

俘能器的等效電容為

(12)

式中ε為壓電材料的介電常數(shù)；當雙晶壓電片串聯(lián)時a=1，并聯(lián)時a=2。

系統(tǒng)在幅值為Ain、頻率為ω的加速度外加激勵下，在壓電片兩級加電阻負載R，最大輸出電壓為

(13)

當激勵頻率與系統(tǒng)固有頻率相等，即ω=ωn時，輸出電壓為

(14)

電阻負載下的等效輸出功率為

(15)

上式對R求導，得最優(yōu)電阻負載為

(16)

從式(14)可看出，壓電俘能器的電壓輸出受到外激勵大小以及其結構尺寸、壓電轉換系數(shù)和壓電耦合系數(shù)的影響。

從式(5)中可以看出:當lm?lb，即質(zhì)量塊長度相對于金屬基板長度很小時，可以近似用懸臂梁末端位移代替質(zhì)量塊質(zhì)心位移；質(zhì)量塊長度與金屬基板長度相當或者差別不大時，懸臂梁末端位移代替質(zhì)量塊質(zhì)心位移會產(chǎn)生很大誤差。

2 數(shù)值計算與ANSYS仿真分析

為了使懸臂梁承受更大的形變，選用韌性較大的磷青銅為基板，質(zhì)量塊采用磷青銅，壓電陶瓷采用PZT—5H。

根據(jù)表1的材料參數(shù)和結構參數(shù)運用有限元分析軟件ANSYS對雙晶壓電懸臂梁進行耦合場分析。壓電片端為固定端，質(zhì)量塊端為自由端，對系統(tǒng)進行模態(tài)分析，得到系統(tǒng)的固有頻率。然后，在懸臂梁固定端施加加速度幅值為0.2 gn(1 gn=9.8m/s2)，激勵頻率為系統(tǒng)的固有頻率的正弦激勵，通過諧響應分析得到系統(tǒng)的電壓—頻率響應曲線。

表1 壓電懸臂梁參數(shù)表

2.1 質(zhì)量塊長度對頻率和電壓影響

固定金屬基板和壓電片的尺寸不變，僅改變質(zhì)量塊的長度，通過數(shù)值計算，得到系統(tǒng)開路情況下的固有頻率、輸出電壓與質(zhì)量塊長度的關系。

由圖3可看出，雙晶串聯(lián)和并聯(lián)的固有頻率相等，并且隨著質(zhì)量塊長度的增加而變小；圖4則表明雙晶串聯(lián)時的輸出電壓是并聯(lián)時的2倍，并隨著質(zhì)量塊長度的增加而變大。由于質(zhì)量塊的厚度和寬度不變，隨著長度的增加，質(zhì)量塊的質(zhì)量也跟著線性增加，所以也可以得出結論：增加質(zhì)量塊的質(zhì)量可以有效降低系統(tǒng)的固有頻率，同時也提高了系統(tǒng)的輸出電壓。

圖3 頻率與質(zhì)量塊長度關系

圖4 輸出電壓與質(zhì)量塊長度關系

表2為兩種數(shù)學模型的計算結果與ANSYS仿真結果的對比，其中,η1,η2分別為Roundy模型和修正后模型的頻率相對于ANSYS仿真的誤差，μ1,μ2分別為Roundy模型和修正后模型的輸出電壓相對于ANSYS仿真的誤差。從表2中可以看出，隨著質(zhì)量塊長度的增加，Roundy模型對仿真結果的誤差越來越大，而修正后模型相對于仿真結果的誤差要小許多，說明修正后的數(shù)學模型提高了對俘能器性能的預測精度，能更好地對俘能器性能進行預測。

表2 兩種模型結果相對于ANSYS仿真的誤差

2.2 質(zhì)量塊質(zhì)心高度對頻率和電壓的影響

在保持質(zhì)量塊質(zhì)量和寬度不變的情況下，分析質(zhì)量塊質(zhì)心高度與俘能器頻率和輸出電壓的關系。圖5為質(zhì)量塊寬度為8 mm，長(mm)×厚(mm)分別為20×2,16×2.5,12×3.3,8×5和4×10，也即質(zhì)量塊質(zhì)心高度Hc分別為1,1.25,1.65,2.5,5 mm下雙晶片串聯(lián)條件下的頻率—電壓曲線。其中，質(zhì)心高度由1 mm升高到5 mm時，一階固有頻率由68.167 Hz變?yōu)?2.065 Hz，降低了23.6 %；輸出電壓由3.94 V變?yōu)?.54 V，升高了15.2 %。因此，在對系統(tǒng)整體質(zhì)量有限制的情況下，可優(yōu)先考慮選用質(zhì)心高的質(zhì)量塊來降低固有頻率的同時提高俘能器的電壓輸出。

圖5 質(zhì)量塊質(zhì)心高度對頻率—電壓曲線的影響

2.3 負載對俘能器輸出的影響

在雙晶片串聯(lián)前提下，分析了不同電阻負載對俘能器電壓、功率的影響。圖6為電阻從0.25 MΩ到2 MΩ不同取值下對應的電阻兩端電壓和功率曲線，俘能器結構尺寸如表1所示。從圖6中可以看出，隨著外加電阻不斷增大，俘能器輸出電壓不斷升高，而功率則是先增大后減小，在0.75 MΩ時功率最大，與式(16)理論計算得出的0.95 MΩ誤差為26.7 %，驗證了數(shù)學模型的正確性。

圖6 負載電阻與電壓、功率曲線

3 結 論

1)在考慮質(zhì)量塊中心撓度與懸臂梁末端撓度的差異下，修正后的數(shù)學模型對俘能器性能有更準確的預測，對壓電懸臂梁式俘能器的結構優(yōu)化具有指導意義。

2)增加懸臂梁末端質(zhì)量塊的質(zhì)量，能有效提高俘能器的發(fā)電能力，同時也可有效地降低俘能器的固有頻率。另外，在質(zhì)量塊質(zhì)量一定的前提下，提高質(zhì)量塊質(zhì)心高度更有助于俘能器發(fā)電性能提高。

3)通過數(shù)學分析和仿真分析得出，在俘能器裝置確定的情況下，負載對俘能器的發(fā)電性能也有影響，要使輸出功率最大，需要匹配最優(yōu)負載。

[1] Sidek O,Khalid M A,Ishak M Z,et al.Design and simulation of SOI-MEMS electrostatic vibration energy harvester for micro power generator[C]∥Proceedings of the 1st International Conference on Electrical,Control and Computer Engineering,2011:207-212.

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[6] Erturk A,Inman D J.An experimentally validated bimorph cantilever model for piezoelectric energy harvesting from base excitations[J].Smart Materials & Structures,2009,18(2):1282-1294.

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[10] 龔俊杰,許穎穎,阮志林,等.雙晶懸臂梁壓電發(fā)電裝置發(fā)電能力的仿真[J].振動：測試與診斷,2014,34(4):658-663.

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Modeling and simulation of bimorph cantilever piezoelectric energy harvester*

WANG Xin-zhang, HAO Shao-shuai, XU Xiao-zhuo, LI Hong-lei

(School of Electrical Engineering and Automation,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

To solve the optimization problem of bimorph cantilever piezoelectric energy harvester,the Roundy mathematical model is modified,where difference between the deflection at the center of the proof mass and that at the end of the cantilever is considered.By using the finite element software of ANSYS，modal analysis and harmonic response analysis of energy harvester model are carried out.The results show that modified model is more accurate than Roundy model in predicting the first order natural frequency and output voltage of the harvester when the length of mass block grows.Influence law of mass block shape and load on energy harvester output characteristics is studied,it is found that when the weight of mass block is constant,mass block with a higher center of mass will make the energy harvester have a better generating capacity,and the result has reference significance for structural optimization of the piezoelectric energy harvester.

cantilever beam; piezoelectric energy harvester; ANSYS; harmonic response analysis

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0015—04

2016—03—28

國家自然科學基金資助項目(U1504506,61074095)

TM 282

A

1000—9787(2017)04—0015—04

王新掌(1969-)，男，博士，副教授，主要從事電磁場理論及其應用等方面的研究工作。