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悬臂梁单晶压电发电振子电压输出特性的有限元仿真分析
悬臂梁单晶压电发电振子是一种能够转换机械振动能量为电能的振动子系统，常常应用于能量收集、结构健康监测等领域。
因此，对其电压输出特性的研究十分重要。
本文采用有限元仿真分析方法，分析了不同悬挂长度条件下悬臂梁单晶压电发电振子的电压输出特性。
首先，建立了悬臂梁单晶压电发电振子的有限元模型，并将其引入ANSYS软件中进行仿真分析。
模型考虑了单晶材料的压
电效应和阻尼效应，悬臂梁的质量、刚度、长度等因素，并在模型中设置了机械激励载荷。
接着，对模型进行了电压输出特性的仿真分析。
对比了不同悬挂长度条件下的电压输出，得到了以下结论：当悬挂长度增加时，振动频率不断变低，电压输出也相应减小。
当悬挂长度为7.5mm时，能够获得最大的电压输出(约为11V)。
此时，频率
为406.1Hz，相位角为63.8度。
最后，对所获得的仿真结果进行了分析和讨论。
在实际应用中，需要综合考虑悬挂长度、载荷以及piezoelectric材料特性等因素，以寻找最优的电压输出配置。
此外，本研究采用的有限元分析方法具有较高的精度和可靠性，并且可以进行多种复杂情况下的分析，因此在设计、优化和预测悬挂梁压电振子性能等方面具有广泛应用前景。
综上所述，本文对悬臂梁单晶压电发电振子的电压输出特性进
行了有限元仿真分析，并得到了一定的结论和启示。
未来，需要进一步深入探究其在实际应用中的性能和效果。
压电-电磁复合振动俘能器的耦合负载特性及俘能性能作者：张振振娄军强贾振任枭荣王涛魏燕定来源：《振动工程学报》2020年第03期摘要：基于環境振动的俘能装置作为自供能微电源可以有效避免对外部电源的依赖。
提出了一种新型的两端固支式低频压电-电磁复合振动俘能装置。
理论推导了复合俘能系统的耦合动力学模型及俘能性能方程。
利用搭建的实验平台分别研究了单一压电式、单一电磁式以及复合俘能装置不同激励加速度、频率以及两个支路不同外接负载下的耦合负载特性及俘能性能。
实验结果表明：在基础振动加速度0.5g，压电、电磁支路外接最佳匹配阻抗50kfl和30n的条件下，压电俘能支路，电磁俘能支路以及复合俘能装置最大谐振俘能输出功率分别为1.05，7.18及8.23mW。
与单一形式的俘能装置相比，提出的复合俘能器提高了俘能效率，并具有一定的宽频俘能特性。
关键词：复合俘能装置;压电式俘能;电磁式俘能;振动俘能;负载特性中图分类号：TN712+。
5文献标志码：A 文章编号：1004-4523（2020）03-0459-08DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2020.03.003引言常规的化学电池由于具有寿命短、需频繁定期更换且易造成环境污染等问题，已经不适应高速发展的信息革新技术。
而能够将环境激励转化为可利用电能，并减小对外部电源依赖的自供能方式吸引了国内外众多学者的广泛关注，并成为当前的研究热点。
热能、风能、太阳能及振动能等是常见的能量形式。
对应的俘能方式有热力发电、风机发电及太阳能电池等。
振动俘能装置由于具有结构简单、实现方便、效率高且成本低的优点引起了众多研究者的兴趣。
目前静电、压电和电磁是振动俘能装置最常用的三种机电转换机制。
基于压电材料的振动俘能器（Piezoelectric Vibration Energy Harvester，PVEH）具有高能量密度、环保性好及易与微机电系统集成等优势而被广泛研究。
Zhuangbei Yingyong yu Yanjiu♦装备应用与研究线性悬臂梁式压电振子的理论分析与仿真杨晋宁曹雅莉（甘肃机电职业技术学院，甘肃天水741001）摘要:悬臂梁式压电俘能系统的输出电压和功率与压电振子的结构尺寸、外界激振频率等都有着密切的联系。
同时，线性压电振子当与环境振动激励产生共振时才能获得最大的输出功率，而其固有频率又与压电振子的结构尺寸等参数有关。
因此，为了在实际应用中提高俘能效率，参数悬臂梁式压电俘能系统性能的°悬臂式压电振子结构了相关的理论分析，并通过COM+OL Multiphysics有限元软件，对系统输出电压和功率受外界激振频率、负载、外激励加速度的影响规律进行了仿真分析，而为悬臂式压电振子结构，系统固有频率提供了参X关键词：压电振子；固有频率;激振频率；负载;仿真0引言界中的能，其中振动能、用的能2其能时受到时、、环境等因素的X能其为电能2有电子、实时的能X实际上2利用界中的振动电提动力，可振动能为机电系统的电能X用压电效应理在环境中的振动能有高的能密、环保、高输出电压和功率实结构等，因而关⑴X在理论中，压电式悬臂梁为压电式振动俘能系统结构的等效k用线性动学其建模与分析，故常将它称为线性悬臂梁式压电振子X文为了步提高能量换效率，在对悬臂梁式压电振子结构和尺寸理论分析的础上，利用COMSOL Multiphysics,外界激振频率等参数对输出电压和功率的分析，为悬臂梁式压电振子结构提理论参X!压电能量收集器的理论分析1.1基本结构和原理能量中最典的结构悬臂梁式，其具有诸点X为步提高能量换效率，使压电结构的固有频率、外界激振频率和三者有效匹配起来k文采用压电效应理下的矩形悬臂梁结构k如图1示X该结构的中间层用铜材料的金属k在的下方各粘有一层很薄的PZT-5H压电陶瓷k用串联连接的输出方式k构成双晶压电振子k Z轴为极方向°压电振子的左端固定，另一端放置一个材料为45钢的质量块,用压电结构的固有频率k便外界频环境中的振动能量X在外界振动的激励下，将会激压电振子振动而发生弯曲形,使上下两片PZT-5H压电陶瓷分别受到拉伸和压缩用，结合压电效应原理此时外输出电压°该结构采用激励方向与极化方向相垂直的＜=1振动式，使其共振频项目名称：2019年度甘肃省高等学校创新能力提升项目（2019A-238）图1矩形悬臂梁式压电结构率更，更与外界环境产生共振°悬臂梁式压电结构尺寸参数如表1所示X表1悬臂梁式压电结构尺寸参数名称参数数值/mm压电振子长度'50.00压电振子宽度%20.00基体厚度0.25PZT-5H厚度0.20质量块长度'n8.00质量块宽度20.00质量块厚度& 2.001.2固有频率根据文献［2-3"提出的分布式参数动学，在忽略质量惯性矩和剪切变形影响的前提下，线性悬臂梁式压电振子等效为一个Euler#B ernou l li梁，然后利用Euler#Bemou l li方程其机电耦合行为进行建模X过理论推导k得到计算各阶固有频率的公式⑷：■fi t，匸1，2,…⑴式中为压电振子的弹性量;p为压电振子的等效密'为压电振子的％为压电振子的宽度；&为压电振子的厚度（&=&e十2&p）x由（1）式可看出k压电振子的与$、％和&之间呈正比关系k 与P和'关系X当压电振子的一端放质量块时k相当了P的大小k从而起的作用X2有限元分析在COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件中，按照表1示数据对悬臂梁式双晶压电振子三建，如图2示°过k得压电振子的表应图，如图3示，"込位于压电振子根部，为使压电振子产生更多的电能,压电装备应用与研'♦Zhuangbei Yingyong yu Yanjiu 片应粘贴于此处冈。
悬臂梁结构的动态特性分析与优化悬臂梁是一种常见的结构形式，在工程领域被广泛应用。
它由一根固定在一端的梁杆构成，另一端悬空。
悬臂梁结构具有一定的动态特性，包括固有频率、振型等参数。
在设计和优化悬臂梁结构时，需要对其动态特性进行分析和优化，以满足工程要求并提高结构的稳定性和性能。
一、悬臂梁的动态特性悬臂梁结构的动态特性是指在受到外力作用时，悬臂梁的振动情况。
悬臂梁的动态特性与其几何形状、材料性质、边界条件等因素密切相关。
其中，固有频率是悬臂梁动态特性的重要参数，它代表了悬臂梁在无外力作用下自由振动的频率。
悬臂梁的振型则描述了悬臂梁在不同频率下的振动形态。
二、悬臂梁动态特性的分析方法为了研究和优化悬臂梁的动态特性，需要进行相应的分析与计算。
常见的分析方法包括理论分析和数值模拟两种。
理论分析是通过对悬臂梁的几何形状、材料性质和边界条件进行推导和计算，得到悬臂梁的动态特性。
这种方法具有较高的精度和准确性，但在实际应用中受到了一些限制。
由于悬臂梁结构的复杂性，理论分析常常需要引入一些假设和简化，因此不能完全准确地描述结构的实际状况。
数值模拟则是通过建立悬臂梁的数学模型，并运用相应的数值方法进行求解。
常见的数值模拟方法包括有限元法、边界元法等。
这些方法具有较高的灵活性和适应性，在解决实际工程问题时往往更加便捷和准确。
悬臂梁结构可以通过数值模拟方法进行动态特性分析，从而得到更精确的结果，并为结构的优化提供参考依据。
三、悬臂梁动态特性的优化在悬臂梁结构的设计和优化过程中，需要兼顾结构的稳定性和性能要求。
悬臂梁的稳定性与其动态特性直接相关。
如果悬臂梁的固有频率与外界激励频率接近，可能会导致共振现象，从而影响结构的稳定性。
为了避免这种情况的发生，可以通过调整悬臂梁的几何形状、材料性质等因素，使得悬臂梁的固有频率与外界激励频率保持一定的差距。
当然，在优化悬臂梁结构时，还需要考虑其他方面的因素，如结构的载荷能力、材料的经济性等。
多稳态悬臂梁式压电振动俘能器及设计方法
多稳态悬臂梁式压电振动俘能器是一种利用压电效应将机械振动能转
化为电能的装置。
它由悬臂梁、压电陶瓷片和负载电阻组成。
当悬臂
梁振动时，压电陶瓷片会产生电荷，通过负载电阻将电荷转化为电能
输出。
多稳态悬臂梁式压电振动俘能器具有多个稳态工作点，可以在
不同振动频率下工作，具有较高的能量转换效率和较宽的工作频率范围。
设计多稳态悬臂梁式压电振动俘能器需要考虑以下几个方面：
1. 悬臂梁的设计：悬臂梁的长度、宽度、厚度和材料的选择会影响到
振动频率和振幅。
一般来说，悬臂梁的长度越长，振动频率越低，振
幅越大。
材料的选择也要考虑到其密度、弹性模量和损耗因子等因素。
2. 压电陶瓷片的选择：压电陶瓷片的厚度和尺寸会影响到输出电荷量
和输出电压。
一般来说，压电陶瓷片的厚度越大，输出电荷量越大，
但是输出电压也会随之降低。
压电陶瓷片的尺寸也要考虑到其与悬臂
梁的匹配程度。
3. 负载电阻的选择：负载电阻的大小会影响到输出电流和输出功率。
一般来说，负载电阻的大小应该与压电陶瓷片的输出电阻相匹配，以
达到最大功率输出。
4. 多稳态工作点的设计：多稳态悬臂梁式压电振动俘能器具有多个稳态工作点，需要根据实际应用场景选择合适的工作点。
一般来说，工作点应该在振动频率范围内选择最高的能量转换效率。
总之，设计多稳态悬臂梁式压电振动俘能器需要综合考虑悬臂梁、压电陶瓷片和负载电阻等因素，以达到最大的能量转换效率和最广的工作频率范围。
