【導(dǎo)讀】振動(dòng)是一種很常見的物理現(xiàn)象，通過對(duì)振動(dòng)能的收集，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，有利于緩解社會(huì)能源緊缺問題。目前主要用來(lái)收集振動(dòng)能的壓電發(fā)電裝置可以在。各種存在振動(dòng)的環(huán)境中工作，具有很好的應(yīng)用情境。是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，可得到相對(duì)低的共振頻率和較大的形變等。結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，以驗(yàn)證有限元計(jì)算的正確性。最后研究懸臂梁長(zhǎng)度、

　　

【正文】 40mm 時(shí)，梁的固有頻率降為 。隨著懸臂梁長(zhǎng)度的增加，其固有頻率在逐漸減小。由此可見，長(zhǎng)度較長(zhǎng)的懸臂梁有利于降低整體結(jié)構(gòu)的諧振頻率。但在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，還需要考慮壓電振子的強(qiáng)度問題，以防過長(zhǎng)的懸臂梁在實(shí)際振動(dòng)中發(fā)生較大的彎曲正應(yīng)力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞。因此，在應(yīng)力許可的條件下，應(yīng) 選擇長(zhǎng)度較長(zhǎng)的懸臂梁。 梁寬度對(duì)蝴蝶式壓電懸臂梁裝置 發(fā)電性能 的影響 設(shè)定懸臂梁的長(zhǎng)度為 100mm，厚度為 ，在不改變梁的長(zhǎng)度、厚度以及質(zhì)量塊質(zhì)量的前提下，單獨(dú)分析梁的寬度對(duì)壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)諧振頻率的影響。分別取 20mm， 22mm， 24mm， 26mm， 28mm 寬度的懸臂梁，對(duì)其一階固有頻率進(jìn)行仿真分析。 圖 420 所示為蝴蝶式 壓電懸臂梁的第一階固有頻率隨梁寬度的變化關(guān)系曲線 。 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 29 圖 420 懸臂梁寬度 — 頻率曲線 由圖中 420 可以看出，懸臂梁的寬度為 20mm 時(shí)，梁的固有頻率為 ，而寬度變?yōu)?28mm 時(shí)，梁的固有頻率升為 。隨著懸臂梁寬度的增加，其固有頻率在逐漸增大。由此可見，寬度較窄的懸臂梁有利于降低整體結(jié)構(gòu)的諧振頻率。但在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，還需要考慮壓電振子的強(qiáng)度問題，以防過窄的懸臂梁在實(shí)際振動(dòng)中發(fā)生較大的彎曲正應(yīng)力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞。因此，在應(yīng)力許可的條件下，應(yīng)選擇寬度較窄的懸臂梁。 梁厚度 對(duì) 蝴蝶式壓電懸臂梁裝置 發(fā)電性能的 影響 設(shè)定懸臂梁的長(zhǎng)度為 100mm， 寬度為 20， 在不改變梁的長(zhǎng)度 、 質(zhì)量塊質(zhì)量以及 壓電片大小的前提下， 單獨(dú)分析梁厚度 對(duì)壓電發(fā)電 裝置結(jié)構(gòu)諧振頻率的影響。分別取 ， ， ， ， ，對(duì)其一階固有頻率進(jìn)行仿真分析。 圖 421 所示為蝴蝶式 壓電懸臂梁的第一階固有頻率隨 梁厚度的 變化關(guān)系曲線 。 圖 421 懸臂梁厚度 — 頻率曲線 由圖中 421 可以看出， 懸臂梁厚度 為 時(shí)，梁的固有頻率為 ，而位置 變?yōu)? 時(shí)，梁的固有頻率升 為 。隨著 懸臂梁厚度越薄 ，其固有頻率在逐漸減小 。由此可見， 厚度越薄的懸臂梁 有利于降低整體結(jié)構(gòu)的諧振 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 30 頻率。但在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中， 還需要考慮壓電振 子的強(qiáng)度問題，以防過薄的懸臂梁在實(shí)際振動(dòng)中發(fā)生較大的彎曲正應(yīng)力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞 。因此，在應(yīng)力許可的條件下，應(yīng)選擇厚度較薄的懸臂梁 。 梁形狀 對(duì)蝴蝶式壓電懸臂梁裝置 發(fā)電性能的 影響 設(shè)定懸臂梁的長(zhǎng)度為 100mm，寬度為 30mm， 厚度為 ， 在不改變梁的長(zhǎng)度、寬度 、厚度、 質(zhì)量塊質(zhì)量 以及壓電片大小的前提下，單獨(dú)分析梁的形狀選擇對(duì)壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)諧振頻率的影響。形狀 為 橢 圓 ， 矩形 ， 三角形 ， 梯形，梁形狀如圖 422 所示 ，并 對(duì)其一階固有頻率進(jìn)行仿真分析。 （ a） 橢 圓 （ b）矩形 （ c）三角形 （ d）梯形 圖 422 梁形狀 圖 423 所示為蝴蝶式 壓電懸臂梁的第一階固有頻率隨梁形狀 的變化關(guān)系曲線 。 圖 423 懸臂 梁形狀 — 頻率曲線 由圖中 423 可以看出， 懸臂梁形狀為橢圓時(shí)，第一階固有頻率為 ，懸臂梁形狀為矩形時(shí)，第一階固有頻率為 ， 懸臂梁 形狀 為三角形 時(shí) ， 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 31 第一階固有頻率為 ， 而當(dāng)懸臂梁形狀為梯形 時(shí) ， 第一階固有頻率為。由此可見，懸臂梁 形狀為三角形 時(shí) 有利于降低整體結(jié)構(gòu)的諧振頻率。在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)過程中 ， 三角形結(jié)構(gòu)還能夠節(jié)省材料 。 因此，在應(yīng)力許可的條件下， 可選擇三角形的懸臂梁。 位移載荷對(duì)蝴蝶式壓電懸臂梁裝置應(yīng)力的影響 設(shè)定懸臂梁的長(zhǎng)度為 100mm，寬度為 20mm，厚度為 ，在不改變梁的長(zhǎng)度、寬度、 厚度 以及壓電片大小 的前提下，單獨(dú)分析位移載荷對(duì)壓電發(fā)電裝置應(yīng)力的影響。分別取 2mm， 4mm， 6mm， 8mm， 10mm 的位移載荷，對(duì)其最大應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。 圖 424 所示為蝴蝶式 壓電懸臂梁的最大應(yīng)力隨位移載荷的變化關(guān)系曲線 。 圖 424 位 移載荷 — 最大應(yīng)力曲線 由圖中 424 可以看出，位移載荷為 2mm 時(shí)，最大應(yīng)力為 ， 而位移載荷為 10mm 時(shí)，最大應(yīng)力為 。隨著位移載荷的增加，其最大應(yīng)力在逐漸增大。由此可見，通過在懸臂梁兩端增加位移載荷可有效提高梁的應(yīng)力，從而提高裝置的發(fā)電能力。 本章小結(jié) 本章 簡(jiǎn)單的介紹了有限元軟件的使用方法 ， 其次利用 SolidWorks 及 ANSYS Workbench 軟件給出了蝴蝶式懸臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元模型 ，并 對(duì)裝置進(jìn)行靜力分析，模態(tài)分析，用來(lái)仿真裝置的應(yīng)力應(yīng)變情況， 固有振動(dòng)特性 等發(fā)電性能。最后 為選擇最 優(yōu)化 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 參數(shù) ，分別從 梁的長(zhǎng)度、 寬度、 厚度 、 形狀 和位移載荷四個(gè)方面來(lái)討論，得出結(jié)論 ：在應(yīng)力許可 的 條件下，應(yīng)選擇長(zhǎng)度較長(zhǎng)、 寬度較窄、 厚度較薄的 三角形 懸臂梁 ，并盡可能施加較大的位移載荷。 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 32 第 五 章 總結(jié)與展望 總結(jié) 壓電發(fā)電 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 工作穩(wěn)定 、無(wú)污染和易于實(shí)現(xiàn)小型化和集成化 ，因此近些年來(lái)受到了人們廣泛的關(guān)注和重視，而如果能夠解決壓電發(fā)電的一些技術(shù)難題，將使壓電發(fā)電能夠適用于更多的領(lǐng)域，從而解決當(dāng)今社會(huì)能源短缺的問題。本課題主要研究振動(dòng)能量采集裝置中，新型蝴蝶式壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的尺寸參 數(shù)以及形狀和施加的位移載荷與諧振頻率、輸出電壓之間的關(guān)系，從而優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。 本論文的主要研究結(jié)果如下： 了解了壓電發(fā)電的發(fā)展歷史以及國(guó)內(nèi)外壓電發(fā)電的發(fā)展 現(xiàn)狀，對(duì)壓電發(fā)電的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的探索 ，從而建立了新型蝴蝶式懸臂梁 壓電發(fā)電裝置 的Solidwoks 模型。 通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，對(duì)新型蝴蝶式 壓電懸臂梁做實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，以獲得對(duì) ANSYS 有限元模型數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，從而驗(yàn)證有限元模型的正確性。 基于 ANSYS有限元軟件， 利用 Solidworks三維 軟件及 ANSYS Workbench建立了 蝴蝶式懸 臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元模型， 并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的 靜力 分析和模態(tài)分析，記錄其數(shù)據(jù) 。在 此基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別從長(zhǎng)度、寬度、厚度、材料和位移載荷五 個(gè)方面來(lái)討論，得出的結(jié)論為：在應(yīng)力許可條件下，應(yīng)選擇長(zhǎng)度較長(zhǎng)、寬度較窄、厚度較薄的 三角形 懸臂梁，并盡可能施加較大的位移載荷。 展望 實(shí)際上新型蝴蝶式壓電發(fā)電裝置要應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，需要研究問題還有很多，如懸臂梁的材料、支撐、加工難度，模型的耦合分析等。在此基礎(chǔ)上，我們可以做以下方面的研究： 由于單層懸臂梁發(fā)電電壓有限，可以考慮多層懸臂梁發(fā)電。 為了 更好的 測(cè)得壓電發(fā)電裝置在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的電壓，可以 通 ANSYS仿真模擬壓電發(fā)電裝置在自然環(huán)境下工作。 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 33 考慮壓電發(fā)電裝置與蓄能器的結(jié)合，更好的對(duì)能量進(jìn)行收集和存儲(chǔ)。 壓電發(fā)電裝置的應(yīng)用需要合理的電路進(jìn)行配合從而達(dá)到最佳的使用效果。因此可以考慮設(shè)計(jì)出適合壓電發(fā)電的電路系統(tǒng)。 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 34 致 謝 經(jīng)過幾個(gè)月的努力，我的畢業(yè)論文終于完成了，這也將意味著大學(xué)生活即將結(jié)束。而通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也讓我學(xué)會(huì)了很多，特別是在這次設(shè)計(jì)中積累的很多寶貴經(jīng)驗(yàn)以及學(xué)會(huì)了有限元分析軟件 ANSYS 的應(yīng)用，這些都讓我受益匪淺。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì) 中 ，非常感謝龔俊杰老師，沈麗佳學(xué)姐的指導(dǎo)，從一開始的定題，到前期材料的準(zhǔn)備 ，到 論文的寫作、修改以及最后的 定稿， 是他們一步步的引導(dǎo)和幫助著我 。 在此期間也讓我看到了 龔老師深厚的學(xué)術(shù)造詣、嚴(yán)謹(jǐn) 的科學(xué)態(tài)度、無(wú)私的奉獻(xiàn)、 謙遜平和的品質(zhì) 、 儒雅的學(xué)者風(fēng)范 ，這些都 讓我受益匪淺 。同時(shí)也感謝大學(xué)里的所有 任課老師，是他們的教導(dǎo)，使我擁有了一定的專業(yè)知識(shí)來(lái)完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。最后感謝評(píng)閱本篇本科畢業(yè)論文和出席論文答辯的各位專家教授在百忙之中給予的指導(dǎo)。 回顧 論文的 整個(gè) 寫作過程 ， 雖然很 辛苦 ， 但 讓我除卻浮躁 ， 經(jīng)歷了 人生的 思考和啟示 ,也更加的讓我了解了機(jī)械的魅力所在 。 因此 ，對(duì)于這段時(shí)光我 倍感珍惜。 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究 35 參考文獻(xiàn) [1] 溫志渝， 溫中泉 ，賀學(xué)峰，等 .振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)及其在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 [Z],國(guó)家 “ 863” 資助項(xiàng)目 . 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