悬臂梁压电陶瓷发电装置发电性能研究及结构优化

发布时间：2017-04-15 11:09

  本文关键词：悬臂梁压电陶瓷发电装置发电性能研究及结构优化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在能源日渐紧缺的今天,由于不可再生资源的逐年消耗,能源问题被各国政府、学术界乃至广大公众所共同关注,寻找开发一种持久清洁的新能源已经成为当今世界的一项重要研究课题。作为清洁能源的振动能量,在自然环境中无处不在,将这些流失的的振动能量收集起来供人类使用,可以有效缓解社会对能源的需求。目前,将压电发电材料与动力学、电学相结合,研究收集环境中的振动能逐渐成为一个备受瞩目的课题。悬臂梁压电发电装置是通过正压电效应,利用压电陶瓷片,将机械能转化成电能,其结构简单、加工方便、绿色环保并能够有效地收集自然环境中的机械能量。本文通过研究悬臂梁压电陶瓷发电装置的发电特性及其相关参数对其发电性能的影响规律,对发电装置结构进行优化设计,在此基础上,设计了一种以悬臂梁压电陶瓷发电装置为核心的压电发电自供能无线键盘,以期实现无线键盘的自供能。论文基于有限元分析软件ANSYS,对悬臂梁压电陶瓷发电装置发电电压进行仿真,分析了不同激励位移、不同基板材料和不同压电片厚度对发电电压的影响规律,为选择合适的基板材料、压电片厚度进行压电发电提供依据。通过搭建实验平台,设计实验电路,分析了低频条件2Hz下,压电陶瓷片在压电单晶片连接、压电双晶片按照压电单晶片连接、压电双晶片串联、压电双晶片并联四种不同连接方式下的发电性能,得出不同连接方式下发电电压、内阻及发电电能的变化规律,为选择合适的连接方式进行压电发电提供依据。在仿真和实验基础上,对悬臂梁压电陶瓷发电装置进行等强度梁和等应力板两种方式结构优化,并对优化结果进行仿真和实验验证,得出在最优条件、最优结构下的悬臂梁压电陶瓷发电装置确实能够提高发电性能。最后,以优化后的悬臂梁压电陶瓷发电装置为核心,设计了一种压电发电自供能无线键盘,对压电发电自供能无线键盘各组成部件进行设计。
【关键词】：悬臂梁 压电发电 位移激励 仿真分析 实验验证 结构优化
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-14
• 第1章 绪论14-21
• 1.1 课题研究背景14-15
• 1.2 压电发电装置的国内外理论与实验研究现状15-19
• 1.2.1 压电发电装置的研究15-16
• 1.2.2 压电发电存储电路的研究16-17
• 1.2.3 压电发电技术的应用研究17-19
• 1.3 论文主要内容19-21
• 第2章 悬臂梁压电陶瓷发电理论21-34
• 2.1 压电效应21
• 2.2 压电陶瓷21-24
• 2.2.1 压电材料及其发展21
• 2.2.2 压电陶瓷性能参数21-23
• 2.2.3 压电方程23-24
• 2.3 悬臂梁压电陶瓷发电装置简介24-27
• 2.3.1 压电振子简介24-25
• 2.3.2 压电振子振动模式25
• 2.3.3 压电振子支撑方式25-26
• 2.3.4 压电振子的激励方式26-27
• 2.4 悬臂梁压电陶瓷发电装置位移激励下输出电压与电能数学模型27-33
• 2.4.1 位移激励下压电单晶片振子的输出电压与电能数学模型27-31
• 2.4.2 位移激励下压电双晶片振子的输出电压与电能数学模型31-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 悬臂梁压电陶瓷发电装置的仿真分析34-42
• 3.1 引言34
• 3.2 有限元仿真分析34-40
• 3.2.1 压电单元34
• 3.2.2 前处理34-36
• 3.2.3 施加载荷并求解36
• 3.2.4 后处理36-40
• 3.2.4.1 静力学分析36-37
• 3.2.4.2 位移激励对输出电压的影响37
• 3.2.4.3 压电陶瓷片基板材料对输出电压的影响37-38
• 3.2.4.4 压电陶瓷片和基板厚度对输出电压的影响38-40
• 3.3 本章小结40-42
• 第4章 悬臂梁压电陶瓷发电实验研究42-53
• 4.1 实验平台搭建42-43
• 4.1.1 悬臂梁压电发电装置制作42
• 4.1.2 位移激励源的选择及实验电路的设计42-43
• 4.2 实验研究43-51
• 4.2.1 位移激励对输出电压的影响43-45
• 4.2.2 不同连接方式下的输出电压45-46
• 4.2.3 不同连接方式下内阻研究46-50
• 4.2.4 不同连接方式下发电电能50-51
• 4.3 本章小结51-53
• 第5章 结构优化设计53-64
• 5.1 机构优化设计概述53-55
• 5.1.1 结构优化分类53
• 5.1.2 机械机构优化设计技术53-55
• 5.2 悬臂梁压电陶瓷片结构优化理论分析55-57
• 5.2.1 等强度梁理论优化55-56
• 5.2.2 等应力板方式优化56-57
• 5.3 优化结果分析57-62
• 5.3.1 理论优化结果57
• 5.3.2 悬臂梁压电陶瓷片优化结果有限元仿真与实验分析57-62
• 5.3.2.1 等强度梁理论优化结果分析57-60
• 5.3.2.2 等应力板方式优化结果分析60-62
• 5.4 本章小结62-64
• 第6章 压电发电自供能无线键盘64-68
• 6.1 压电自供能无线键盘的设计64-67
• 6.1.1 压电发电自供能无线键盘的组成64-65
• 6.1.2 压电发电自供能无线键盘的设计65-67
• 6.2 本章小结67-68
• 第7章 结论与展望68-70
• 7.1 结论68-69
• 7.2 展望69-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-75
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录75

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