پديد آورنده :
نادرطهراني، امين
عنوان :
برداشت انرژي از ارتعاشات با استفاده از يك سيستم چندپايداره
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
طراحي كاربردي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
پانزده، 69ص. :مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
سعيد ضيايي‌راد
توصيفگر ها :
برداشت انرژي ارتعاشي , برداشت‌كننده‌ي غيرخطي , لايه‌هاي پيزوالكتريك , سازه چندپايداره
استاد داور :
حسن نحوي، علي لقماني
تاريخ ورود اطلاعات :
1401/08/04
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1401/08/07
چكيده فارسي :
امروزه به دليل گستردگي نياز به انرژي، برداشت‌كننده‌هاي انرژي از ارتعاشات محيط به طور گسترده براي رفع نياز سيستم‌هاي كم‌توان به مانند حسگرها و باتري‌هاي داراي قابليت شارژ مجدد استفاده مي‌شوند. به دليل سادگي و سهولت استفاده از تير و پيزوالكتريك خطي، تركيب اين دو سازه به وسيله‌اي رايج براي تبديل انرژي مكانيكي به الكتريكي، بدل شده است. يكي از عيوب اصلي سيستم‌هاي برداشت‌كننده انرژي ارتعاشي از محيط، افت شديد انرژي برداشت شده به دليل كوتاهي پهناي‌باند است كه در طي سال‌ها، روش‌هايي براي رفع اين مشكل به مانند تبديل فركانس، استفاده از آرايه‌اي از برداشت‌كننده‌ها و بهره‌گيري از پاسخ غيرخطي به وجود آمده است. در ميان زير‌شاخه‌هاي مربوط به روش بهره‌گيري از پاسخ غيرخطي، سيستم‌هاي غيرخطي چندپايداره به دليل توان خروجي بالا ناشي از پرش ديناميكي، داراي ويژگي مفيدي براي برداشت انرژي از ارتعاشات هستند. اين پژوهش به بررسي عددي و تجربي برداشت‌كننده انرژي ارتعاشي پهن‌باند شامل وصله‌ي پيزوالكتريك، دو تير فرعي با حركت چرخشي و پيچشي، قيد دوطرفه در انتهاي تيرها و جرم فشرده مي‌پردازد. سيستم پيشنهادي، با نوآوري الهام گرفته شده از تغيير شكل سريع برگ گياه مگس‌خوار به يك ساختار كم هزينه چندپايداره دست يافته است. رفتار غيرخطي سيستم اين پژوهش ناشي از هندسه خاص آن است و عدم وجود ميدان مغناطيسي خارجي كار را براي سنسورها راحت‌تر مي‌كند. اين ساختار چندپايداره متفاوت از سازه‌هاي غيرخطي مغناطيسي و كامپوزيت‌هاي داراي تنش باقي مانده خواهد بود؛ زيرا برداشت‌كننده پيزوالكتريك چندپايداره الهام گرفته از گياه مگس‌خوار، انرژي پتانسيل توليد شده را توسط قيد دوطرفه تيرها ذخيره مي‌كند و سپس در رهاسازي شديد انرژي در حين تغيير شكل سريع، انرژي را برداشت مي‌كند. گياه مگس‌خوار يكي از مثال‌هاي دقيق ساختار‌هاي دوپايدار در طبيعت است كه مي‌تواند حشرات چابك را با بستن انحناي دو برگ خود در زمان بسيار كوتاه (يك دهم ثانيه) به دام بيندازد. برگ‌هاي گياه مگس‌خوار داراي دومنحني در دو جهت هستند كه در حالت باز اين انحنا محدب است و در حالت بسته مقعر مي‌باشد. اين تغيير سريع ميان دو حالت پايدار به پديده پرش نسبت داده مي‌شود كه با آزادسازي شديد انرژي در قالب تغيير شكل بزرگ همراه است. در پژوهش حاضر به منظور بررسي تاثير پارامترهاي هندسي و مكانيكي سازه بر پهن‌باندي سيستم حالت‌هاي پايدار، ديناميك و برداشت انرژي سازه با استفاده از مدل المان محدود تهيه شده در نرم‌افزار آباكوس مورد بررسي قرار گرفته است. سپس براي صحت‌سنجي نتايج نيز با ساخت نمونه آزمايشگاهي و تست سيستم با ارتعاشات پايه هارمونيك بر روي لرزاننده، سنجشي ميان داده‌هاي تجربي و عددي صورت داده شده است. نتايج بيانگر آن است كه چه در شتاب پايه كم (كمتر از g8/0) كه سيستم رفتار خطي از خود نشان مي‌دهد، چه در شتاب‌هاي بالا (بيشتر از g2/1)، خروجي مدل‌سازي المان محدود به خوبي با داده‌هاي تجربي تطبيق دارد. رفتار غيرخطي سيستم برداشت‌كننده انرژي ارتعاشي در شتاب‌هاي پايه بالا، منجر به پهن‌باندي بازه موثر برداشت انرژي خواهد شد. همچنين سيستم پيشنهادي، قابليت تأمين توان mw 288/0 با مقاوت بار kΩ262/3 در شتاب پايه g 3 و فركانس تحريك Hz 695/12 را دارا خواهد بود.
چكيده انگليسي :
The combination of beams with piezoelectric patches has become a prevalent energy harvesting tool due to its ease of use. Typical energy harvesting systems are usually linear and their efficiency is not satisfying due to low-frequency bandwidth. This paper studies the static and dynamic behavior of a bio-inspired quad-stable piezoelectric vibration energy harvester both analytically and experimentally. This study aim is to broaden the energy harvesting bandwidth by introducing a quad-stable harvester. The configuration of the under study system in this paper is inspired by the quick shape transition of the Venus flytrap leaf. The harvester system is composed of a slotted beam, a piezoelectric patch, a pair of tip-mass blocks, and a cleavage. The beam is subjected to pre-displacement constraints made by a cleavage-like at the free end of it. The nonlinear behavior of the harvester system, i.e., the snap-through phenomenon, is studied by the finite element method (FEM). The FE model made by an in-house finite element software. A prototype is designed and fabricated to validate the FEM modeling of the harvester. The prototype dynamics are analyzed by harmonic base excitation with different amplitude levels (in two conditions of the presence and absence of the piezoelectric patch). The results obtained from the FEM model show a satisfying correlation between experimental data and simulation results. The experimental results reveal that the snap-through phenomenon occurred and the frequency bandwidth has been broadened at a high amplitude level (base acceleration more than 1.2 g). The system has the ability to provide an average output electrical power of 0.288 mW for a load resistance of 3.262 kΩ at the excitation frequency of 12.695 Hz and acceleration amplitude of 3 g.
استاد راهنما :
سعيد ضيايي‌راد
استاد داور :
حسن نحوي، علي لقماني
