مدلسازی دینامیک غیرخطی و تعیین توان الکتریکی بهینه در برداشت انرژی به کمک تیر دولایه پیزوالکتریک

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

3 پژوهشکده فناوری‌های نو، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

­در این پژوهش، برداشت انرژی به­ وسیله­ حسگر دولایه پیزوالکتریک در حالت تک­ مود غیرخطی و نیز یافتن شرایط بهینه عملکردی برای استخراج توان، مورد بررسی ­قرار گرفته ­است. معادلات غیرخطی با پیشنهاد آنتالپی الکتریکی غیرخطی مناسب و با استفاده از روش لاگرانژ به ­دست ­آمده است. همچنین به کمک روش­ های اغتشاشات و بر اساس نتایج تجربی، مدل شناسایی گردیده است. نتایج حاکی از وجود دمپینگ مرتبه 2 و سختی مرتبه 3 به بزرگی  و  می باشد. در نهایت برداشت انرژی غیرخطی بررسی و مقاومت الکتریکی برای توان الکتریکی بهینه برابر با  بدست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Jalili, N., "Piezoelectric-Based Vibration Control from Macro to Micro/Nano Scale Systems", New York, Springer, (2010).
[2] Erturk, A., and Inman, D.J., "Piezoelectric Energy Harvesting", John Wiley & Sons, United Kingdom, (2011).
[3] Erturk, A., and Inman, D.J., "An Experimentally Validated Bimorph Cantilever Model for Piezoelectric Energy Harvesting from Base Excitations", Smart Materials and Structures, Vol. 18, pp. 025009-1-18, (2009).
[4] Erturk, A., and Inman, D.J., "On Mechanical Modeling of Cantilevered Piezoelectric Vibration Energy Harvesters", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 19, pp. 1311-1325, (2008).
[5] Erturk, A., Tarazaga, P.A., Farmer, J.R., and Inman, D.J., "Effect of Strain Nodes and Electrode Configuration on Piezoelectric Energy Harvesting from Cantilevered Beams", Journal of Vibration and Acoustics, Vol. 131, pp. 011010-1-11, (2009).
[6] Jia, Y., and Seshia, A.A., "Power Optimization by Mass Tuning for MEMS Piezoelectric Cantilever Vibration Energy Harvesting", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 25, pp. 108-117, (2015).
[7] Piñeirua, M., Doaré, O., and Michelin, S., "Influence and Optimization of the Electrodes Position in a Piezoelectric Energy Harvesting Flag", Journal of Sound and Vibration, Vol. 346, pp. 200-215, (2015).
[8] Pang, S., Li, W., and Kan, J., "Optimization Analysis of Interface Circuits in Piezoelectric Energy Harvesting Systems", Journal of Power Technologies, Vol. 96, pp. 1-7, (2016).
[9] Ahoor, Z., Ghafarirad, H., and Zareinejad, M., "Nonlinear Dynamic Modeling of Bimorph Piezoelectric Actuators using Modified Constitutive Equations Caused by Material Nonlinearity", Mechanics of Advanced Materials and Structures, Vol. 28, pp. 763-773, (2019).
[10] Shahabi, P., Ghafarirad, H., and Taghvaeipour, A., "Nonlinear Vibration Analysis of Piezoelectric Bending Actuators: Theoretical and Experimental Studies", Comptes Rendus Mécanique, Vol. 347, pp. 953-966, (2019).
[11] Tan, D., Yavarow, P., and Erturk, A., "Nonlinear Elastodynamics of Piezoelectric Macro-fiber Composites with Interdigitated Electrodes for Resonant Actuation", Composite Structures, Vol. 187, pp. 137-143, (2018).
[12] Stanton, S.C., Erturk, A., Mann, B.P., and Inman, D.J., "Nonlinear Piezoelectricity in Electroelastic Energy Harvesters: Modeling and Experimental Identification", Journal of Applied Physics, Vol. 108, pp. 074903-1-9, (2010).
[13] Stanton, S.C., Erturk, A., Mann, B.P., Dowell, E.H., and Inman, D.J., "Nonlinear Nonconservative Behavior and Modeling of Piezoelectric Energy Harvesters Including Proof Mass Effects", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 23, pp. 183-199, (2012).
[14] Leadenham, S., and Erturk, A., "Unified Nonlinear Electroelastic Dynamics of a Bimorph Piezoelectric Cantilever for Energy Harvesting, Sensing and Sctuation", Nonlinear Dynamics, Vol. 79, pp. 1727-1743, (2015).
[15] Leadenham, S., and Erturk, A., "Nonlinear M-shaped Broadband Piezoelectric Energy Harvester for Very Low Base Accelerations: Primary and Secondary Resonances", Smart Materials and Structures, Vol. 24, pp. 055021-14, (2015).
[16] Tan, D., Yavarow, P., and Erturk, A., "Resonant Nonlinearities of Piezoelectric Macro- Fiber Composite Cantilevers with Interdigitated Electrodes in Energy Harvesting", Nonlinear Dynamics, Vol. 92, pp. 1935-1945, (2018).
[17] Leadenham, S., and Erturk, A., "Mechanically and Electrically Nonlinear Non-ideal Piezoelectric Energy Harvesting Framework with Experimental Validations", Nonlinear Dynamics, Vol. 99, pp. 625-641, (2020).
[18] Leadenham, S., and Erturk, A., "M-Shaped Asymmetric Nonlinear Oscillator for Broadband Vibration Energy Harvesting: Harmonic Balance Analysis and Experimental Validation", Journal of Sound and Vibration, Vol. 15, pp. 6209-6223, (2014).
[19] Stanton, S.C., Erturk, A., Mann, B.P., and Inman, D.J., "Resonant Manifestation of Intrinsic Nonlinearity within Electroelastic Micropower Generators", Applied Physics Letters, Vol. 97, pp. 254101-1-3, (2010).