一种新型分体式压电俘能器研究

发布时间：2017-07-29 04:09

  本文关键词：一种新型分体式压电俘能器研究

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【摘要】：微电子系统以其便携和功能繁多的特点,在我们日常生活中起到越来越重要的作用。随着MEMS和超大集成电路低能耗设计技术的飞速发展,许多微电子器件能耗降至几百甚至几十微瓦。这使得我们可从日常环境中俘获能量,以代替传统化学电池,为微电子设备供能。压电材料具有优良的力电耦合性能,适合制造一种俘获环境中机械能并将之转化为电能的压电器件,我们将其称为压电俘能器。近年来,国内外学者针对压电俘能展开了广泛的研究。基于对已有研究的分析,本文归纳并总结现有压电俘能器设计所存在的缺陷,创新性地提出分体式压电俘能器设计理念。通过理论研究与仿真模拟相结合的形式,对所设计的压电俘能器结构进行参数优化。并模拟人行荷载下俘能器的功率输出情况,证明俘能器结构的合理性与实用性。具体研究成果有以下几点：(1)通过分析和总结已有压电俘能器结构传力路径,阐明结构刚度与俘能效率存在的必然矛盾,并综合俘能器设计中其它常见缺点,创新地提出一种新型分体式压电俘能器结构设计。(2)以线性压电理论为基础,结合本文压电俘能器几何传力特性,推导出压电俘能器在简谐荷载作用下电压幅值与平均功率的解析解。通过数值分析,指出俘能器中压电材料几何参数如何选取更合理。(3)通过ANSYS仿真模拟,对模型结构参数进一步分析,得出仿真模拟值低于解析解数值是由于材料并非完全刚体所导致的结论。对传力块尺寸进行参数讨论,取得较好优化效果。(4)通过ANSYS仿真模拟可得：一个体重为60kg的行人单步荷载在俘能器上能转化输出148.572μW能量,功率密度达到46.428μW/cm3,功率大于一次性锂电池,因此本文设计的俘能器具有一定的工程应用前景。
【关键词】：压电俘能器 分体式 ANSYS仿真
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-20
• 1.1 课题研究背景与意义11-13
• 1.2 国内外研究现状13-19
• 1.3 本课题主要工作和研究意义19-20
• 2 压电俘能基本原理20-29
• 2.1 压电效应和压电方程20-23
• 2.1.1 压电效应20-21
• 2.1.2 压电方程21-23
• 2.2 压电材料主要性能参数23-25
• 2.3 压电振子25-28
• 2.3.1 振动模式25-27
• 2.3.2 激励形式27
• 2.3.3 等效电路27-28
• 2.3.4 联接方式28
• 2.4 本章小结28-29
• 3 一种新型俘能器设计与分析29-41
• 3.1 模型概述29-31
• 3.1.1 设计思路与工作原理29-30
• 3.1.2 模型外观尺寸30-31
• 3.2 解析分析31-37
• 3.2.1 俘能器传力分析31-33
• 3.2.2 单片压电振子输出求解33-35
• 3.2.3 理论模型验证35-36
• 3.2.4 串、并联解析解36-37
• 3.3 模型参数分析37-40
• 3.3.1 单片压电振子参数37-38
• 3.3.2 串、并联叠堆参数38-39
• 3.3.3 传力结构参数39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 4 有限元仿真分析41-57
• 4.1 相关软件简介41-43
• 4.1.1 Solidworks功能与作用41-42
• 4.1.2 ANSYS功能与作用42-43
• 4.2 有限元仿真分析43-52
• 4.2.1 有限元模型建立43-47
• 4.2.2 结构形变分析47-48
• 4.2.3 俘能器输出分析48-52
• 4.3 人行荷载52-56
• 4.3.1 人行荷载曲线53-55
• 4.3.2 有限元仿真分析55-56
• 4.4 本章小结56-57
• 5 结论与展望57-59
• 5.1 主要研究结论57
• 5.2 思考与展望57-59
• 参考文献59-64
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果64-66
• 学位论文数据集66

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本文编号：587390