折疊式壓電振子的響應(yīng)曲面優(yōu)化分析

趙春明，龔立嬌，周天爍，司金冬

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003）

1 引言

壓電振子是壓電換能器和壓電驅(qū)動器的核心部件。利用壓電材料的正壓電效應(yīng)可將振動能轉(zhuǎn)換為電能，匹配能量采集電路，為負(fù)載提供電能。通常，壓電振子的結(jié)構(gòu)簡單且易實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換，受到國內(nèi)外專家的廣泛研究［1-3］。

對于壓電振子，工作時(shí)的頻率和外界頻率相匹配時(shí)，其輸出電能最大。

目前，對壓電振子發(fā)電性能的研究涉及較多。文獻(xiàn)［4］提出的一種折疊式壓電振子由彈性折疊梁和壓電陶瓷片組成，其中壓電陶瓷片粘貼在彈性薄梁層的上下表面。通過對折疊彈性梁施加外力，引起彈性層的彎曲變形，使得壓電層產(chǎn)生電荷。實(shí)現(xiàn)在（1～200）Hz內(nèi)，折疊壓電振子利用前兩階固有頻率采集能量。文獻(xiàn)［5］利用逆壓電效應(yīng)，將折疊振子和壓電晶片組成的壓電振子與泵體部分組成了諧振型壓電泵。當(dāng)給壓電片施加驅(qū)動電壓時(shí)，激勵折疊振子產(chǎn)生振動，實(shí)現(xiàn)了流量控制。

同時(shí)，壓電振子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究對輸出性能影響明顯［6-7］。文獻(xiàn)［8］將人步行產(chǎn)生的能量收集并對其壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行角度優(yōu)化，在跑步機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)分析，當(dāng)壓電懸臂梁相對于人腿部的坐標(biāo)系的設(shè)計(jì)角度為70°時(shí)，壓電采集裝置獲得最大功率。文獻(xiàn)［9-10］通過建立了一種軸對稱結(jié)構(gòu)聲場耦合的有限元模型，定義結(jié)構(gòu)中軸對稱圓頂?shù)目v橫比為優(yōu)化分析的設(shè)計(jì)變量；建立結(jié)構(gòu)聲學(xué)形狀優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，設(shè)置該軸對稱結(jié)構(gòu)聲場內(nèi)部某一節(jié)點(diǎn)的頻率響應(yīng)的均值為目標(biāo)函數(shù)，然后通過掃頻分析，使其結(jié)構(gòu)在中低頻的噪聲響應(yīng)達(dá)到最小，最后得到優(yōu)化后的圓頂形狀。……