悬臂梁压电俘能器结构设计与电学性能有限元分析

摘要：

为探明压电俘能器结构参数和不同压电材料对其电学输出性能的影响,基于压电效应,运用有限元仿真分析方法,采用COMSOL Multiphysics软件中的结构力学模块和AC/DC模块,建立悬臂梁压电俘能器初始结构模型,并对使用不同压电材料的俘能器进行电学输出性能分析.研究结果表明:根据汽车在路面行驶的速度,得出路面振动频率为6.67～13.33 Hz,不超过20 Hz.路面振动频率为0～18 Hz时使用PZT-5H的俘能器电学输出性能较高,路面振动频率为19～20 Hz时使用PZT-5A的俘能器电学输出性能较好,根据路面实际振动频率范围建议选用PZT-5H;根据电学性能输出效果,对初始俘能器进行结构优化,得到优化后的结构参数[支撑结构尺寸(长×宽×高)为(1×20×1)mm3、压电材料尺寸为(30×20×0.06)mm3、金属基板尺寸为(30×20×0.1)mm3、质量块尺寸为(4×20× 1)mm3];振动频率为10 Hz、振动加速度为1g条件下,计算得到悬臂梁压电俘能器的最佳外接负载为35 kΩ,对应的输出电压为0.30 V、输出功率为1.24×10-6 W,相对于优化前的俘能器输出电压(0.19 V)和输出功率(0.22×10-6 W)分别提升了 58％和463％;对悬臂梁压电俘能器进行特征频率分析,计算得到其1阶特征频率为76.9 Hz;而悬臂梁压电俘能器在频率为0～20 Hz工作时,输出电压和输出功率均随着路面振动频率增加而增加;此时路面振动频率远离1阶特征频率,不会对使用寿命产生影响,证明所设计的俘能器模型在路面振动频率范围内使用是合理的.

关键词：道路工程、压电俘能器、有限元方法、悬臂梁、压电路面

所属期刊栏目：43

分类号：U416.22(道路工程)

资助基金：国家自然科学基金;陕西省自然科学基础研究计划项目;中央高校基本科研业务费专项资金项目;长安大学创新实践能力提升项目

在线出版日期：2023-11-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共12页

页码：25-36