توصيفگر ها :
برداشت انرژي , مواد پيزوالكتريك , جابجايي بزرگ , چرخش بزرگ , مدل دقيق هندسي
چكيده فارسي :
افزايش نياز به انرژي الكتريكي در سامانه‌هاي بي‌سيم و خودتوان باعث شده تا محقق‌ها روش‌هاي مختلفي را براي برداشت انرژي مورد بررسي قرار دهند. يكي از اين روشها استفاده از انرژي ارتعاشي سيستم‌ها و محيط اطراف آن‌ها است كه خود شامل روش‌هاي مختلفي مانند برداشت به روش الكترومغناطيس و الكترواستاتيك است، يكي از اين روشها برداشت انرژي با استفاده از خواص مواد پيزوالكتريك است. در اين تحقيق برداشت انرژي از يك تير يكسرگيردار تحت ارتعاشات با دامنه بزرگ مورد بررسي قرار مي‌گيرد. ابتدا براي بررسي رفتار سيستم در ارتعاشات بزرگ بايد مدل دقيق هندسي ايجاد شود تا توانايي بررسي رفتار سيستم در شرايط مختلف را داشته باشد و نتايج به دست آمده از اين مدل با نرم افزار اجزاءمحدود آباكوس صحت‌سنجي مي‌شود، سپس ماده پيزوالكتريك به تير اضافه شود، تا برداشت انرژي در ارتعاشات با دامنه جابجايي و چرخش بزرگ مورد مطالعه قرار گيرد. براي بررسي رفتار دقيق تير ابتدا معادلات كامل كرنش تير را بدون ساده‌سازي در نظر گرفته و سپس با محاسبه انرژي كرنشي و سپس با محاسبه كار انجام شده توسط نيرو در انتهاي تير مسئله به صورت استاتيكي براي يك تير يكسرگيردار تحت نيروي نقطه‌اي در انتهاي تير حل شده براي اين بخش نياز به گسسته‌سازي رابطه‌ها است كه با روش ريلي- ريتز انجام شده است. براي صحت‌سنجي اين بخش از نرم افزار اجزاءمحدود آباكوس و آزمون تجربي كمك گرفته شد. در بخش بعد با محاسبه انرژي جنبشي با تاثير حركت پايه و با استفاده از اصل هميلتون معادله‌هاي انرژي براي يك تير يكسرگيردار تحت ارتعاشات پايه يا به عبارتي حل ديناميكي مسئله مورد بررسي قرار گرفته است و همچنين براي صحت‌سنجي از نرم افزار اجزاءمحدود آباكوس كمك گرفته شد. در انتها با اضافه شدن دو لايه ميكرو فيبر مركب پيزوالكتريك (MFC) در دو سمت لايه مياني برداشت انرژي در جابجايي‌هاي بزرگ مورد بررسي قرار گرفت و در انتها براي صحت‌سنجي از نرم افزار اجزاءمحدود آباكوس كمك گرفته شد. علت استفاده از ميكرو‌فيبرمركب پيزوالكتريك توانايي اين مواد در تحمل در برابر خمش‌هاي بزرگ است. براي حل معادلات حركت از روش‌هاي عددي از جمله روش نيوتن- رافسون، انتگرال‌گيري گوس- لژاندر و روش نيومارك استفاده شده است. با بررسي نتايج و مقايسه آن‌ها با نرم افزار اجزاءمحدود آباكوس مشاهده مي‌شود كه مدل هندسي ارائه شده داراي دقت مناسبي در پيش بيني رفتار تير در حالت استاتيكي، ديناميكي و همچنين برداشت انرژي است. در اين تحقيق فرض الاستيك خطي بودن مواد در نظر گرفته شده و نتايج تا زماني قابل قبول است ماده از حالت الاستيك خطي خارج نشود. همچنين در اين تحقيق هدف ابتدا ايجاد يك مدل دقيق هندسي براي پيش‌بيني رفتار تير در حالت‌هاي مختلف بوده و پس از آن بررسي ولتاژ خروجي در برداشت انرژي براي جابجايي‌هاي بزرگ است.
چكيده انگليسي :
The increasing demand for electrical energy in wireless and autonomous systems has led researchers to explore various methods for harvesting energy. One of these methods involves using the vibrational energy of systems and their surrounding environment, which includes various techniques such as electromagnetic and electrostatic harvesting. One of these methods is energy harvesting using the properties of piezoelectric materials. In this study, energy harvesting from a cantilever beam subjected to large amplitude vibrations is investigated. To examine the behavior of the system under large amplitude vibrations, an accurate geometric model must be created to assess the system's behavior under different conditions, and the results obtained from this model are validated using Abaqus finite element software. Then, a piezoelectric material is added to the beam to study energy harvesting under large displacement and rotation vibrations. To examine the precise behavior of the beam, the complete strain equations of the beam are considered without simplification. Then, by calculating the strain energy and the work done by the force at the end of the beam, the problem is solved statically for a cantilever beam under a point force at the end of the beam. Discretization of the equations is required for this part, which is done using the Rayleigh-Ritz method. Abaqus finite element software and experimental testing were used to validate this section. In the next section, by calculating the kinetic energy with the influence of base motion and using Hamilton's principle, the energy equations were solved for a cantilever beam under base vibrations, or in other words, the dynamic solution of the problem was investigated. Abaqus finite element software was also used for validation. Finally, with the addition of two layers of piezoelectric composite microfiber (MFC) on both sides of the middle layer, energy harvesting was studied under large displacements. In the end, Abaqus finite element software was used for validation. The reason for using piezoelectric composite microfiber is their ability to withstand large bending strains. Numerical methods such as the Newton-Raphson method, Gauss-Legendre integration, and the Newmark method were used to solve the motion equations. By examining the results and comparing them with Abaqus finite element software, it can be observed that the proposed geometric model has sufficient accuracy in predicting the behavior of the beam under static, dynamic, and energy harvesting conditions. In this study, the linear elastic assumption was considered for the materials, and the results are acceptable as long as the material remains within the linear elastic range. Additionally, the goal of this study was first to create an accurate geometric model to predict the behavior of the beam
under different conditions, and then to investigate the output voltage in energy harvesting for large displacements.
