ANSYS的两自由度宽频压电能量收集装置性能分析

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第 28卷 第 4期V01．28 NO．4湖 北 工 业 大 学 学 报Journal of Hubei University of Technology201 3年 O8月Aug．2013[文章编号]1003—4684(2013)04—0092 04ANSYS的两 自由度宽频压电能量收集装置性能分析张斯 阳，曾 琴，孙 科 ，陶孟仑，陈定方(武汉理工大学智能制造与控制研究所 ，湖北 武汉 430063)[摘 要]以两自由度宽频压电能量收集装置为研究对象，基于 ANSYS对其进行有限元分析，将两 一由度压电振子与单自由度压电振子和二元阵列压电振子进行对比．将这三种结构在相同的参数条件下进行模态分析以及偕响应分析，证明两自由度压电悬臂梁能起到拓宽频宽的作用.

[关键词]宽频；压电；二 自由度；悬臂梁；能量收集装置；ANSYS[中图分类号]TH1 22 [文献标 识码]：A基于振动的 MEMS能量收集装置具有非 常低的能量密度，可用于无线传感器．微振动功率收集装置的关键问题是设备 的谐振频率不匹配的环境振动频带．环境振 动的频率从 几 Hz到 几 百 Hz各不相同，但大多数微观结 构的谐振频率均在 几 kHz左右 ，而且大部分的微观结构谐振带宽很窄 ，因此对其拓宽带宽的研究很有必要.

1 国内外宽频压 电能量收集装置发展现状从 1 969年 wen H Ko提出一种采集心跳活动能量的小型压 电悬臂梁式能量采集器[_l 以来 ，世界上许多研究团体开展 了一系列关于压 电式能量采集器的研究.

韩国 Jeong S J研究小组制作了基于双层压电片的能量采集器 ：当上下压电层的厚度不 同时，在 比较近的频率范围内会出现 2个共振频率，这样 就增加了器 件 的频率 响应 带 ]．弗 吉尼 哑理 工 大学 的Erturk A等人设计 r一种 I 型悬臂梁结构 ，传统的直线型悬臂梁结构 的一、二阶固有频率之间至少相差 6倍 ，通过优化设计的 I 型悬臂梁 的前两阶固有频率只相差 1倍，振动能量可以在在一、二阶模态之间传递.

华中科技大学于 2008年提出了采用悬臂梁阵列结构的方法 ]．20l0年南京航空航天大学陈仁文等发明了一种蒲公英状 多方 向、宽频带压点振动能量收集装 置 ．2011年上海交通 大学的马华 安等 ，提出的一种通过磁力的引入使其在低频下工作的、宽频的压电振动能量采集器，与传统无磁铁振动式压电能量采集器相比，有效地拓展了 5 Hz的工作频带 J．2011年上 海交通 大学刘 景全等 发 明 了基于PMNT压电单 晶的 MEMS宽频振动能量采 集器，制备的器件可以在较宽的环境振动范围内输出较大稳定的功率 J．2012年南京航空航天大学侯志伟等人，提出了一种新颖 的多方 向振 动能量收集装置 的设计结构 ，该装置的换能部分采用了 Rainbow型压电结构，该装置经过优化后 ，在 y向激励 时，其输 出的总电能为 37．146 r*J，比优化前提高 了 30．82 ；当沿装置体对角线方向激励时，结构装置输出的总电能为 58．715 J，比优化前提高了 29．24 【{ .

2 宽频压电能量收集装置2009年 ，中南大学 的 Z T Yang与美 国内布拉斯加大学林肯分校的J S Yang合作，对相连的振动双压 电晶片梁结构进行 了研究 ，理论模 型如图 1所示 ，发现如果对固有频率相近的双压电晶片梁进行弹性连接与电连接，就可以获得宽频带的电输出.

▲Aexp(io)t)I’图 l 相连振动双压电晶片梁结构的理沦模[收稿日期]2o13?03—30[作者简介]张斯阳(1 990一)，女，湖北汉川人，武汉理工大学本科生，研究方向为压电

第 28卷第 4期 张斯阳，等 基于 ANSYS的两自由度宽频压电能量收集装置性能分析 954 结束语本 文分别对参数相同的单 自由度压电悬臂梁 、二元阵列压电悬臂梁和两 自由度压 电悬臂梁进行建模．通过模态分析 ，得到了这三种结构的前 四阶固有频率；通过谐响应分析，得到各个结构的输出电压随频率的变化曲线，获得了三种结构的谐响应带宽分别为 2．7 Hz，3．8 Hz和 7．7 Hz．可以发现两 自由度悬臂梁的谐响应带宽远大于单自由度的谐响应带宽以及大于二元阵列悬臂梁 的带宽 ，可见两 自由度悬臂梁可以拓宽频带．本文并未将两 自由度悬臂梁与三自由度以及更多自由度的悬臂梁进行比较，因而并不能完全看出两 自由度 的优势 ，这也是笔者在后期的研究中需要改进的地方.

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A Performance Analysis of Two-degree-of-freedom BroadbandPiezoelectric Energy Harvesting Devices based on ANSYSZHANG Si—yang，Zeng Qin，Sun Ke，Tao Meng—run，Chen Ding—fang(School of Logistics Engin．，Wuhan Univ．of Tech．，Wuhan 430063，China)Abstract：This paper，with the two—degree—of-freedom broadband piezoelectric energy harvesting device asthe research obj ect，takes its finite element analysis using ANSYS，compares the two—degree-of—freedompiezoelectric vibrator，single—degree—of-freedom piezoelectric vibrator，with binary arrap piezoelectric vibra—tor．It then analyzes these three structures’modal and harmonic response in the same conditions，andproves that the two—degree—of-freedom piezoelectric cantilever can broaden the bandwidth.

Keywords：broadband；piezoelectric；two—degree—of—freedom ；cantilever beam ；Energy harvesting devices；ANSYS[责任编校：张 众]