新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究(编辑修改稿)

新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究(编辑修改稿)内容摘要：

臂梁压电发电 装置由基座，基板和两片压电陶瓷片（压电单晶梁）组成。 基板的中间部位固定在基座上，而压电陶瓷片对称贴在悬臂梁上，从而形成两个压电悬臂梁，它们的几何尺寸及材料完全相同。 运用 Solidworks 进行三维建模， 其结构及相关零件示意图如 图 23 所示。 （ a）结构图 （ b）基板 （ c） 基座 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 8 （ d） 质量块 （ e） 压电片 （ f） 螺栓 M4 （ g） 螺母 M4 图 23 蝴蝶式悬臂梁 压电发电装置结构及零件示意图 这种双边对称悬臂梁结构相对于 单边悬臂梁 来说 ， 不仅 解决了单边压电发电悬臂梁 由于 结构质量集中于支架一侧，而容易造成整个发电结构偏离竖直中心线并产生左右摆动的问题， 而且保留了压电发电原本具有的结构简单和易于制作的优势。 这种对称悬臂梁结构 可以更加稳定和有效地吸收机械振动的能量。 本章小结 本章首先对压电发电的基本原理进行了简单的介绍 ， 最后给出了新型蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的结构设计，并对该结构进行了详细的说明。 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 9 第三 章 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的实验研究 本章 将针对蝴蝶 式悬臂梁压电发电装置构建实验平台，并对其在振动环境下进行电压 和模态振动 测试 ，获得压电发电装置结构的电 压以及固有频率，为下一章有限元计算提供对比数据，从而验证有限元模型的正确性。 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置实物的加工制作 单层压电振子的加工制作 通过压电振子的正压电效应来发电，压电振子制作的好坏对 其发电量的 影响是非常关键 ， 因此压电振子在制作时一定要注意以下 事项。 金属基板的处理 首先将铍青铜裁剪成所需要的尺寸，然后对其进行热处理：把铍青铜用两压板夹紧，以保证其平整；再将夹着铍青铜的夹板置于加热炉中加热 2小时，温度设置为 320℃；等加热完毕后，将夹板取出，冷却至室温；然后用砂纸将热处理后铍 青铜表面的氧化层除去。 清洗 处理后的铍青铜和压电陶瓷片都必须用丙酮溶液清洗干净才可以粘贴：用镊子夹取适量脱脂棉花，蘸取适量丙酮溶液，反复擦拭金属基板和压电陶瓷表面。 注意在清洗过程中不能损伤压电陶瓷表面的镀银电极。 粘贴 将清洗干净的金属基板和压电陶瓷置于干净的试验平台上，将 AB胶以 1： 1的比例调均匀，取少量涂于压电陶瓷上，并将压电陶瓷粘贴于金属基板上，同时轻轻的按压相粘贴的压电陶瓷和金属基板，排出气泡，挤出多余的胶水，并用小刮板将周边的 AB胶刮去。 等压电陶瓷与金属基板相粘贴后，可用平板压住压电振子。 粘贴层应越薄越好，但应均匀的涂于压电陶瓷与金属基板相粘贴的面，以保证绝缘。 电极 的引出 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 10 为了得到压电陶瓷的发电性能，需要在陶瓷的正负极分别引出电极。 可以通过焊丝将细导线焊接在压电陶瓷的正负极上，为下一步的性能分析做准备。 在焊接的过程中，应特别注意控制焊丝的温度，以免破坏压电陶瓷表面。 压电陶瓷与金属基板的基本性能参数见表 31： 表 31 基板与压电片的基本性能参数 名称 材料 密度 (kg/m3) 弹性模量 (GPa) 泊松比 长 (mm) 宽 (mm) 厚 (mm) 基板 铍青铜 8230 130 45 20 压电片 PZT5H 7500 106 20 10 表 31中基板的长度 45mm为每个悬臂梁的长度，实际加工长度为 100mm。 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的加工制作 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的各部件组成及材料等基本结构参数如表 32所示，图 31为装置外观图。 表 32 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的基本结构参数 编号 ① ② ③ ④ 部件名称 基座 悬臂梁 质量块 压电片 材料 低碳钢 铍青铜 铸铁 PZT5H 数量 2 1 8 2 图 31 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置外观图 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 11 为了与蝴蝶式悬臂梁压电发电装置作比较与对比试验，还加工制作出了与包含在蝴蝶式悬臂梁压电发电装置中的压电悬臂梁具有相同结构尺寸与材料的经典压电发电悬臂梁，其外观图如图 32所示。 其末端质量块的质量为 22g。 图 32 经典压电发电悬臂梁外观图 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的试验测试 以经典压电发电悬臂梁作为对比对象，分别对蝴蝶式悬臂梁压电发电装置及经典压电发电悬臂梁的固有频率，发电电压等相关性能参数进行测量，其中压电片中心位置到基座的距离为 15mm。 压电发电结构的模态测试 模态是机械结构的固有振动特性。 每一阶模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，这些模态参数都可以由有限元计算或实验分析获得。 基于线性叠加原理，一个复杂的振动系统可以分解为多个模态的叠加，这样的分解过程就称为模态分析。 试验流程图及照片分别如图 3图 34 所示。 图 33 模态试验流程图 压电悬臂梁 加速度传感器 激振器 电荷放大器 功率放大器 信号源 信号调理仪 分析系统 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 12 图 34 试验系统 试验过程中所用的主要仪器设备如表 33 所示： 表 33 主要仪器设备 序号 仪器名称 仪器型号 1 激振器 HEV50 2 加速度传感器 CAYD132 3 扫频信号发生器 YE1311D 4 电荷放大器 YE5850 5 功率放大器 HEAS50 6 信号调理仪 AZ308 以蝴蝶式悬臂梁结构的压电发电装置为测量对象，通过调节质量块的数量，可以获得不同质量的质量块组件，两端的质量均依次为 0g， 15g， 22g， 29g， 36g 和 43g，其中每个附加质量块的质量为 7g。 作为对比实验，在经典压电悬臂梁的自由端施加同样的质量块。 得到的固有频率测量结果如图 35所示。 图 35 两种 装置的固有频率的测量比较 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 13 由图 35可以看出，质量块对装置固有频率的影响是明显的，随着自由端质量块质量增加，压电悬臂梁的第一阶固有频率明显下降。 通过对比可以看出，蝴蝶式悬臂梁压电发电装置中包含的两个压电悬臂梁的固有频率与具有相同末端质量块的经典压电悬臂梁的固有频率是基本一致的。 说明蝴蝶式悬臂梁压电发电装置可以简化为与其包含的两个压电悬臂梁具有相一致的尺寸、材料及末端质量块的经典压电悬臂梁来研究。 压电发电装置的发电性能测试 试验流程图及照片分别如图 3图 37 所示。 图 36 发电性能测试流程图 试验系统的实物如图 37 所示 图 37 试验系统 试验过程所用的主要仪器设备见表 34： 信号调理仪 分析系统 压电悬臂梁 示波器 激振器 电荷放大器 功率放大器 信号源 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 14 表 34 主要仪器设备 序号 仪器名称 仪器型号 1 激振器 HEV50 2 示波器 DS1101E 3 电荷放大器 YE5850 4 功率放大器 HEAS50 5 信号调理仪 AZ308 以蝴蝶式悬臂梁的半边和经典压电悬臂梁为研究对象，作进一步的实验研究，测量其在频率为 ，振幅分别为 ， ， ， ， 1mm， 2mm时的输出电压，及频率为 20Hz， 30Hz， 40Hz， 50Hz， 60Hz，70Hz， 80Hz时的输出电压。 所得出的 14组对比数据如图 38所示。 (a) 振幅 （ b） 频率 图 38 不同振幅和频率的输出电压 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 15 从图 38 可以看出，随着激励信号频率和振幅的变化，蝴蝶式悬臂梁的一边和经典压电悬臂梁的输出峰值电压的变化是比较吻合的。 当频率一定时，电压均随着振幅的增加而增加；当振幅一定时，电压随着频率的增加先上升后 下降。 这说明蝴蝶式悬臂梁压电发电装置中包含的两压电悬臂梁的发电电压与具有相同尺寸结构及材料的经典压电悬臂梁相一致。 本章小结 本章首先介绍了蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的加工制作方法及过程，其次对蝴蝶式悬臂梁压电发电装置和 经典压电悬臂梁 进行了两种试验测试，分别为压电发电结构的模态测试和发电性能测试，并对结果进行了比较，发现 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置可以简化为与其包含的两个压电悬臂梁具有相一致的尺寸、材料及末端质量块的经典压电悬臂梁来研究。 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 16 第 四 章 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的 有限元分析 新型蝴蝶式悬臂梁压电发电装置是通过压电陶瓷与金属基板的压电耦合作用，来实现材料的弹性应变能、机械振动能和电能的相互交换。 本章将利用有限元软件 ANSYS 对蝴蝶式悬臂梁压电发电装置进行模拟仿真分析，以获得蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的结构参数对其外部激励的响应情况及能量输出特性。 有限元方法简介 有限元方法是随着计算机的高速发展而产生的一种现代计算方法。 有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题，然后进行求解。 它将求解域划分成许多个称为有限元的小的互连子域，并对每个单元假设一个合适的近似 解，然后推导求解这个域满足的总条件，从而得出问题的解。 其主要特点如下： 整个结构离散为有限个单元； 通过能量最低原理与泛函数值定力转换成一组线性联立方程组； 处理过程简单； 整个区域作离散处理，需庞大的资料输出空间与计算机内存，解题耗时； 线性、非线性均适用。 ANSYS Workbench 概述 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和 交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－ DEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。 ANSYS Workbench 有限元数值模拟分析软件用来模拟复杂的多物理场环境的实际工程问题，它在工程页面引入工程流程图的概念，通过各个分析系统间的连接，将数值模拟过程结合在一起，每个分析系统的数值模拟过程一般是采用简化假定或者真实的物理模型，将 CAD 模型构造成有限元网络模型，再通过施加载荷和边界条件后运行求解得到分析结果，分析系统之间通过共同变量建立关 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 17 联。 Workbench 所提供的 CAD 双向参数链接互动、项目数据自动更新机制、全面的参数管理、无缝集成的优化设计工具等，使 ANSYS 在仿真驱动产品设计（ SDPDSimulation Driven Product development） 方面达到了前所未有的高度。 Workbench 的 提供的分析类型如下 : 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和约束反力。 静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。 静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，结构非线性导致结构或部件的响应随 外载荷不成比例变化。 可求解的静态非线性问题，包括材料非线性：如塑性、大应变；几何非线性：如膨胀、大变形；单元非线性：如接触分析等。 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。 与静力分析不。