悬臂梁式压电能量收集装置的实验研究和有限元分析

doi:10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.19

重庆交通大学学报（自然科学版） ›› 2017, Vol. 36 ›› Issue (12): 115-120.DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.19

悬臂梁式压电能量收集装置的实验研究和有限元分析

张敏，张鸿鑫，雷林，刘永臻，张林

(重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆 400074)

收稿日期:2016-08-12 修回日期:2016-10-14 出版日期:2017-12-18 发布日期:2017-12-18
作者简介:张敏(1982—)，男，山东泰安人，讲师，博士研究生，主要从事计算流体力学、能量收集方面的工作。E-mail：zhangmin@cqjtu.edu.cn。 〓〖HT6H〗通信作者：〖HT6SS〗
基金资助:
重庆市社会事业与民生保障科技创新专项项目(cstc2015shmszx0499)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ1705142)

Experiment Study and Finite Element Analysis of Cantilever Beam Piezoelectric Energy Harvesting Device

ZHANG Min，ZHANG Hongxin，LEI Lin，LIU Yongzhen，ZHANG Lin

(School of Shipping and Naval Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P. R. China)

Received:2016-08-12 Revised:2016-10-14 Online:2017-12-18 Published:2017-12-18

摘要/Abstract

摘要： 对单双晶压电悬臂梁进行激振实验，确定了4种压电悬臂梁的一阶固有频率，得出每种结构在不同频率下随着负载电阻增加的电压和功率响应曲线，实验表明激振频率与压电悬臂梁固有频率相当时，其输出电压达到最大，输出功率也达到最大。然后釆用COMSOL软件对压电悬臂梁结构模型进行了仿真分析，结果表明其输出电压，功率等有限元分析结果与实验结果吻合。针对船舶上柴油机工作时产生的振动能量耗散，提出1种多悬臂梁式的压电能量收集装置，利用COMSOL对结构进行频域分析，结果表明该结构能在船舶柴油机多个主振动频率上都达到较好、稳定的输出功率。

关键词: 船舶工程, 压电, 有限元, 能量收集, 船舶柴油机

Abstract: The excited experiments for unimorph and bimorph piezoelectric cantilever beams were carried out. The first order natural frequencies of four piezoelectric cantilevers were determined，and the voltage and power response curves of each structure under different frequencies were obtained with the increase of load resistance. The experiments indicate that these piezoelectric cantilever beams can export the maximum voltage and power when the excited frequency is matched with the natural frequency of piezoelectric cantilever beams. Then the structure models of the piezoelectric cantilever beams were simulated by COMSOL software. The results of the output voltage and power of FEM are consistent with the experiments. A multi-cantilever piezoelectric energy harvester was proposed to deal with the vibrational energy dissipation in marine diesel engine. Frequency domain analysis of the harvester was carried out by COMSOL. The results show that this harvester can achieve a good and stable output power from marine diesel engine in multiple main vibration frequency.

Key words: marine engineering, piezoelectricity, finite element analysis, energy harvesting, marine diesel engine

中图分类号:

U664.1
TN384

张敏，张鸿鑫，雷林，刘永臻，张林. 悬臂梁式压电能量收集装置的实验研究和有限元分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2017, 36(12): 115-120.

ZHANG Min，ZHANG Hongxin，LEI Lin，LIU Yongzhen，ZHANG Lin. Experiment Study and Finite Element Analysis of Cantilever Beam Piezoelectric Energy Harvesting Device[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science), 2017, 36(12): 115-120.

参考文献

［1］侯志伟，陈仁文，刘祥建.多方向压电振动能量收集装置及其优化设计［J］.振动与冲击，2012，31(16)：33-37.
HOU Zhiwei，CHEN Renwen，LIU Xiangjian. Optimization design of multi-directon Piezoelectric vibration energy haevester［J］. Journal
of Vibration and Shock，2012，31(16)：33-37.
［2］刘祥建，陈仁文.压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势［J］.振动与冲击，2012，31(16)：169-176.
LIU Xiangjian，CHEN Renwen.Current situation and developing trend of piezoelectric vibrationenergyharvesters［J］. Journal of
Vibration and Shock，2012，31(16)：169-176.
［3］唐刚，刘景全，马华安，等. 微型压电振动能量采集器的研究进展［J］. 机械设计与研究，2010，4(4)：61-64.
TANG Gang，LIU Jingquan，MA Huaan，et al. A survey on research of micro piezoelectric vibration energy harvesters［J］. Machine Design
and Research，2010，4(4)：61-64.
［4］郭琳，刘会. 铁电材料研究的背景及现状分析［J］. 重庆交通大学学报(自然科学版)，2007，26(4)：151-155.
GUO Lin，LIU Hui. Back ground research and present state analysis of ferroelectric materials［J］. Journal of Chongqing Jiaotong
Universitty (Natural Science)，2007，26(4)：151-155.
［5］闫世伟，杨建文，杨志刚.基于Hamilton原理的压电悬臂梁模型建立与分析［J］.压电与声光，2014，36(5)：753-756.
YAN Shiwei，YANG Jianwen，YANG Zhigang. Modeling and analysis of piezoelectric cantilever beams based on hamilton principle［J］.
Piezoelectrics and Acoustooptics，2014，36(5)：753-756.
［6］单小彪，袁江波，谢涛，等.不同截面形状悬臂梁双晶压电振子发电能力建模与实验研究［J］.振动与冲击，2010，29(4)：177-180.
SHAN Xiaobiao，YUAN Jiangbo，XIE Tao，et al. Moldeling and test of piezoelecteic cantilever generators with different shapes［J］.
Journal of Vibration and Shock，2010，29(4)：177-180.
［7］单小彪，袁江波，谢涛，等.悬臂梁单晶压电振子发电的理论建模与仿真［J］.浙江大学学报(工学版)，2010，44(3)：528-532.
SHAN Xiaobiao，YUAN Jiangbo，XIE Tao，et al. Modeling and simulation of power generation with piezoelectric unimorph cantilever［J］.
Journal of Zhejiang University (Engineering Science)，2010，44(3)：528-532.
［8］蒋树农，郭少华，李显方.单压电片悬臂梁式压电俘能器效能分析［J］.振动与冲击，2012 (19)：90-94.
JIANG Shunong，GUO Shaohua，LI Xianfang. Performance Analysis for a unimorph cantilever piezoelectric harvester［J］. Journal of
Vibration and Shock，2012 (19)：90-94.
［9］王智全，周玉丰.柴油机振动分析研究［J］.现代机械，2010(3)：56-58.
WANG Zhiquan，ZHOU Yufeng. Study for vibration analysis of the diesel engine［J］. Modern Machinery，2010 (3)：56-58.
［10］杨敬东，王智祥，孙勇敢，等. 内河电力推进游轮振动数值仿真及试验研究［J］. 重庆交通大学学报(自然科学版)，2015，34(5)：175-180.
YANG Jingdong，WANG Zhixiang，SUN Yonggan，et al. Numerical simulation and experimental research on river electric propulsion ship
vibration［J］. Journal of Chongqing Jiaotong Universitty(Natural Science)，2015，34(5)：175-180.
［11］朱新强. 船用中速柴油机振动与噪声分析及优化［D］.武汉：武汉理工大学，2014.
ZHU Xinqiang. The Analysis and Optimization of Vibration and Noise about the Marine Medium-speed Diesel Engine［D］. Wuhan：Wuhan
University of Technology，2014.

[1]	李胜永1，张智华1，王胜男2，王孟2. 面向交通工具金属材料的缺损识别算法[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(07): 136-144.
[2]	刘金春，宋子轩，梁栋. 单箱三室连续梁桥在横向温度梯度与汽车偏载下的空间效应分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(06): 80-86.
[3]	苏兴矩. 浅埋偏压隧道半明拱进洞设计分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(06): 112-116.
[4]	苏小波1，肖林2. 空间刚架结构钢-混结合段合理构造模型试验和数值模拟研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(04): 76-82.
[5]	林骋. 基于ABAQUS的跨座式单轨钢轨道梁应力状态分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(03): 72-77.
[6]	张爱锋，刘少康，姚苗苗，甄春博. 船桥碰撞结构损伤及船撞力影响因素分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(03): 121-127.
[7]	赵月林，门茂峰，孙壮. 基于分段式双幂次趋近律的迭代滑模航向控制[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2021, 40(02): 136-142.
[8]	赵月林，马征，孙壮. 考虑舵机时滞的船舶航向控制系统研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(12): 124-129.
[9]	杨敬东1，黎扬武1，刘美山2,黄兵3. 60 m3铰接式对开泥驳铰链系统受力分析及优化设计[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(12): 130-134.
[10]	宋金华，辛鹏飞. FWD荷载下沥青路面弯沉盆几何特性分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(11): 92-98.
[11]	张杰1，2，邓羽1,2，彭中波1，石利勇1. 基于声子晶体的船机减振特性研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(09): 140-145.
[12]	彭中波，李成，高阳. 基于二维三组元声子晶体带隙特性的振动研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(08): 134-138.
[13]	王虎，陈翔，王雅. 层间接触条件下黏弹性铺装层力学分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(07): 66-72.
[14]	杜青，张森博，卿龙邦. 预制节段拼装桥墩受力性能分析与模拟[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(07): 73-80.
[15]	周智海，陈芳. 拟建市政道路高架桥对其下既有轨道结构安全影响评估[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2020, 39(06): 59-65.

悬臂梁式压电能量收集装置的实验研究和有限元分析

Experiment Study and Finite Element Analysis of Cantilever Beam Piezoelectric Energy Harvesting Device

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics