钹型阵列式压电俘能器的参数优化设计与实验

中国机械工程 ›› 2013, Vol. 24 ›› Issue (11): 1431-1436.

钹型阵列式压电俘能器的参数优化设计与实验

文晟;张铁民;张建桃;曹飞

华南农业大学,广州,510632

出版日期:2013-06-10 发布日期:2013-06-04
基金资助:
国家自然科学基金资助项目（50677023）
National Natural Science Foundation of China（No. 50677023）

Parametric Optimum Design and Experiment of a Cymbal Stack Piezoelectric Harvester

Wen Sheng;Zhang Tiemin;Zhang Jiantao;Cao Fei

South China Agricultural University,Guangzhou,510632

Online:2013-06-10 Published:2013-06-04
Supported by:
National Natural Science Foundation of China（No. 50677023）

摘要/Abstract

摘要：

基于参数优化理论,对钹型阵列式压电俘能器进行结构参数的优化设计。首先确定钹型堆叠阵列的结构形式并建立其参数化有限元模型,选择结构参数作为设计变量,并以压电陶瓷电极面上产生的电压作为目标函数。然后采用ANSYS优化设计模块中的子问题近似法,利用ANSYS的参数化语言APDL编程以实现对模型的结构优化。最后根据优化结果制作了钹型阵列式压电俘能器。实验结果表明：在外部激励不变的情况下,优化后压电俘能器产生的电压幅值提高了87%。

关键词: 钹型阵列, 压电俘能器, 有限元法, 参数优化

Abstract:

The optimum design of a cymbal stack piezoelectric harvester (CSPH) was presented using FEM parametric optimum. Firstly, the parameterized FEM model of the cymbal stack transducer was created on the basis of the initial configuration. The structural parameters were chosen as the design variables and the induced voltage on the electrode surface was taken as the objective functions. Secondly, the sub-problem approximation method was chosen as the basic tool of the structural updating. Then the structural optimization scheme of the piezoelectric harvester was carried out based on ANSYS parametric design language (APDL). Finally, a prototype CSPH was fabricated according to the optimum design results. The experimental results show that, the CSPH generated voltage amplitude is increased by 87% after optimization.

Key words: cymbal stack, piezoelectric harvester, finite element method(FEM), parametric optimum

中图分类号:

TN384

文晟, 张铁民, 张建桃, 曹飞. 钹型阵列式压电俘能器的参数优化设计与实验[J]. 中国机械工程, 2013, 24(11): 1431-1436.

WEN Cheng, ZHANG Tie-Min, ZHANG Jian-Tao, CAO Fei. Parametric Optimum Design and Experiment of a Cymbal Stack Piezoelectric Harvester[J]. China Mechanical Engineering, 2013, 24(11): 1431-1436.

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参考文献

[1]Beeby S, Tudor M, White N. Energy Harvesting Vibration Sources for Microsystems Applications[J]. Measurement Science and Technology, 2006, 17(12): 175-195.
[2]Steven R, Henry A. A Review of Power Harvesting Using Piezoelectric Materials[J]. Smart Materials and Structures, 2007, 16(3):1-21.
[3]Cantatore E, Ouwerkerk M. Energy Scavenging and Power Management in Networks of Autonomous Microsensors[J]. Microelectronics Journal, 2006, 37(12): 1584-1590.
[4]Lu F, Lee H P, Lim S. Modeling and Analysis of Micro Piezoelectric Power Generators for Micro-electromechanical-systems Applications[J]. Smart Materials and Structures, 2004, 13(1):57-63.
[5]Ericka M, Vasic D, Costa F, et al. Energy Harvesting from Vibration Using a Piezoelectric Membrane[J]. Journal de Physique IV, 2005, 128:187-193.
[6]潘仲明，刘波. Cymbal型压电复合换能器的数学模型[J].中国机械工程，2006, 17(3):283-286.
Pan Zhongming, Liu Bo. Mathematical Model of Cymbal-type Piezoelectric Transducers[J]. China Mechanical Engineering, 2006, 17(3):283-286.
[7]郭振宇，叶敏，程博，等. 形状参数对Cymbal换能器发电能力的影响[J]. 机械科学与技术，2007, 26(11)：1454-1457.
Guo Zhenyu, Ye Min, Cheng Bo, et al. Influence of Shape Parameters on Electricity Generation by Cymbal Transducer[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2007, 26(11):1454-1457.
[8]Tressler J,Cao W, Uchino K, et al. Finite Element Analysis of the Cymbal-type Flextensional Transducer[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 1998, 45(5):1363-1369.
[9]Allik H, Hughes T J R. Finite Element Method for Piezoelectric Vibration[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1970, 2(2):151-157.
[10]Chen W, Zhang Y Z, Zhang C J, et al. Thermo-mechanical Simulation and Parameters Optimization for Beam Blank Continuous Casting[J]. Materials Science and Engineering: A, 2009, 499(1/2):58-63.

[1]	胡超, 刘佐民. 基于材料匹配性的球轴承Heathcote黏-滑模型研究 [J]. J4, 201016, 21(16): 1969-1973.
[2]	王昕, 代亮成, 杨东晓, 罗贇, 池茂儒, 郭兆团, 曾鹏程. 车端侧滚减振装置对高速双层动车组动力学性能的影响分析[J]. 中国机械工程, 2024, 35(04): 742-751.
[3]	刘孝保, 严清秀, 易斌, 姚廷强, 顾文娟. 基于集成学习和改进粒子群优化算法的流程制造工艺参数优化[J]. 中国机械工程, 2023, 34(23): 2842-2853.
[4]	唐洋, 张吴镝, 张玉林, 王远, . 管道封堵机器人的卡瓦承压性能与管壁损伤特性仿真与试验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(22): 2758-2771.
[5]	张明亮, 杨大伟, 李明远, 杨新梦, 刘丽茹, 张连朋. 永磁轨道参数优化和悬浮力特性研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(19): 2370-2380.
[6]	胡博, 罗炜韬, 王少飞, 蓝希旺. 基于支持向量机参数优化的高温合金表面缺陷磁异常定量研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(17): 2058-2064.
[7]	孙家乐, 罗晨, 周怡君, 王伟, 张刚. 复杂视觉测量系统的标定参数优化及精度评估[J]. 中国机械工程, 2023, 34(14): 1741-1748,1755.
[8]	李国龙, 朱国华, 蒋林, 陶一杰, 贾亚超. 抑制磨削振纹的多目标磨削工艺参数优化[J]. 中国机械工程, 2023, 34(09): 1086-1092.
[9]	孟宗, 李佳松, 潘作舟, 庞修身, 崔玲丽, 樊凤杰. 裂纹故障对轮齿时变啮合刚度的影响分析[J]. 中国机械工程, 2022, 33(16): 1897-1905，1911.
[10]	王庆港, 陈源, 彭旭东, 李运堂, 李孝禄, 王冰清, 金杰. 三自由度微扰下箔片端面气膜密封动态特性分析[J]. 中国机械工程, 2022, 33(15): 1828-1840.
[11]	王龙凯, 王艾伦, 尹伊君, 金淼, 衡星. 航空涡轮轴发动机复杂转子的动力学建模方法[J]. 中国机械工程, 2022, 33(13): 1513-1520.
[12]	王仙业, 刘海涛, 黄田. 一种平面闭链腿式机构的尺度参数优化设计[J]. 中国机械工程, 2022, 33(11): 1261-1268.
[13]	易茜, 李聪波, 潘建, 张友. 薄板类零件加工精度可靠性分析及工艺参数优化[J]. 中国机械工程, 2022, 33(11): 1269-1277.
[14]	甄冬, 李堃, 刘晓昂, 张佳琪, . 非线性能量阱对汽车车身垂向振动的抑制效果[J]. 中国机械工程, 2022, 33(01): 24-33.
[15]	王强, 陈继刚, 赵建华, 李雪, 胡占齐, . 航空自润滑关节轴承的内锥面滚铆工具设计[J]. 中国机械工程, 2021, 32(20): 2501-2507,2519.