新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究【說明書+SOLIDWORKS】,說明書+SOLIDWORKS,新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究【說明書+SOLIDWORKS】,新型,蝴蝶,胡蝶,壓電,懸臂梁,發(fā)電,性能,機(jī)能,研究,鉆研,說明書,仿單,solidworks 課題:新型蝴蝶式新型蝴蝶式壓電懸臂梁的臂梁的發(fā)電性能研究性能研究導(dǎo)導(dǎo) 師師:答答答答辯辯人人人人:專專 業(yè)業(yè):論文框架文框架研究背景研究背景1234新型蝴蝶式壓電懸臂梁的模型構(gòu)建新型蝴蝶式壓電懸臂梁的模型構(gòu)建蝴蝶式懸臂梁壓電發(fā)電裝置的實驗研究蝴蝶式懸臂梁壓電發(fā)電裝置的實驗研究蝴蝶式懸臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析蝴蝶式懸臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析5總結(jié)總結(jié)研究背景研究背景近近現(xiàn)代以來，代以來，產(chǎn)品的品的發(fā)展展趨于小型化、微型化與集成化，而能源供于小型化、微型化與集成化，而能源供應(yīng)問題已成已成為制制約產(chǎn)品微型化技品微型化技術(shù)發(fā)展的瓶展的瓶頸，其微型化，其微型化問題受到普遍的關(guān)注。受到普遍的關(guān)注。傳統(tǒng)的化學(xué)的化學(xué)電池因其壽命短、池因其壽命短、經(jīng)常需要充常需要充電和更和更換而逐而逐漸不能不能滿足于市足于市場的的要求。而要使微要求。而要使微電子子產(chǎn)品真正品真正實用化用化,制造出高制造出高質(zhì)量、高功率能量密度的微能量、高功率能量密度的微能源器件是當(dāng)前的關(guān)源器件是當(dāng)前的關(guān)鍵之所在。之所在。目前目前,微能源的研究和開微能源的研究和開發(fā)主要有微主要有微熱光光電(TPV)系系統(tǒng)、微內(nèi)燃機(jī)系、微內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)、微太陽能微太陽能電池、微池、微鋰電池、微燃料池、微燃料電池、微池、微熱電系系統(tǒng)等，但大多數(shù)的能量解等，但大多數(shù)的能量解決方案只適用于短壽命周期。因此，一些科研機(jī)構(gòu)著手研究基于機(jī)械能的集決方案只適用于短壽命周期。因此，一些科研機(jī)構(gòu)著手研究基于機(jī)械能的集能系能系統(tǒng),結(jié)果果證明明:從機(jī)械振從機(jī)械振動中中獲得能量是切得能量是切實可行的。盡管可行的。盡管產(chǎn)生的生的電力微力微小小,正常在微瓦到毫瓦正常在微瓦到毫瓦標(biāo)準(zhǔn)之準(zhǔn)之間,但已但已經(jīng)足足夠于微功耗系于微功耗系統(tǒng)的使用。要將機(jī)械振的使用。要將機(jī)械振動轉(zhuǎn)化化為電能所采用的方法一般有能所采用的方法一般有3種種:靜靜電式、式、電磁式和磁式和壓電式。目前，式。目前，電磁式感磁式感應(yīng)技技術(shù)是比是比較成熟的一種成熟的一種發(fā)電技技術(shù)，轉(zhuǎn)換能量也大，但其能量也大，但其結(jié)構(gòu)復(fù)構(gòu)復(fù)雜，體體積龐大，不適合微大，不適合微電系系統(tǒng)。而靜。而靜電式在其能量式在其能量轉(zhuǎn)換時需要一個獨(dú)立的需要一個獨(dú)立的電壓源。相比于前兩種，源。相比于前兩種，壓電式式發(fā)電裝置裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單，工作，工作環(huán)境要求低，無需初始境要求低，無需初始電壓，主要是依靠，主要是依靠環(huán)境中的機(jī)械能境中的機(jī)械能進(jìn)行行轉(zhuǎn)換，是一種新型，是一種新型環(huán)保能源。保能源。壓電式式發(fā)電能量的能量的獲得是通得是通過壓電效效應(yīng)把機(jī)械能把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。能。壓電轉(zhuǎn)換方法不需方法不需額外外電源，易微型化，其能量源，易微型化，其能量轉(zhuǎn)換可以達(dá)到相可以達(dá)到相對較高的高的電壓和功率和功率密度，且適合于密度，且適合于長壽命周期的微功耗的壽命周期的微功耗的電子器件，具有非常廣子器件，具有非常廣闊的的應(yīng)用前景。用前景。新型蝴蝶式新型蝴蝶式壓電懸臂梁的模型構(gòu)建臂梁的模型構(gòu)建簡單了解了解壓電發(fā)電的基本原理，用的基本原理，用Solid-works軟件構(gòu)件構(gòu)建出以下模型：建出以下模型：質(zhì)量塊壓電片螺母基座基板螺栓蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的裝置的實驗研究研究對蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置構(gòu)建裝置構(gòu)建實驗平臺，平臺，記錄如下數(shù)據(jù)如下數(shù)據(jù)為驗證ANSYS有限元模型的正確性：有限元模型的正確性：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析簡單了解了解ANSYS有限元的使用，通有限元的使用，通過有限元有限元軟件件進(jìn)行行壓電發(fā)電裝置的靜力分析和模裝置的靜力分析和模態(tài)分析。以下分析。以下為ANSYS靜靜力分析步力分析步驟：（1）、打開）、打開ANSYS WORKBENCH，界面如下：，界面如下：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析（2）、雙）、雙擊主界面主界面toolbox中中Static Structural，出，出現(xiàn)如下界面：如下界面：（3）、添加材料）、添加材料 雙雙擊A2欄Engineering Data項，進(jìn)入材料添加界面，添加新材料入材料添加界面，添加新材料鈹青青銅和和PZT-5H，設(shè)置置鈹青青銅和和PZT-5H密度，密度，彈性模量以及泊松比。材料性性模量以及泊松比。材料性質(zhì)如下表：如下表：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析 (4)、返回主界面，、返回主界面，導(dǎo)入幾何體：右入幾何體：右擊A3欄Geometry，選擇Import GeometryBrowse命令，命令，選擇模型。模型。(5)、修改模型材料屬性：雙、修改模型材料屬性：雙擊A4欄Model，進(jìn)入入Static Structural-Mechanical界面。界面。選擇分析分析樹中中Geometry，選擇每一個零件，即可修改材料參數(shù)，將每一個零件，即可修改材料參數(shù)，將懸臂梁材料臂梁材料選為鈹青青銅，壓電片片為PZT-5H蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析（6）選擇坐坐標(biāo)系：默系：默認(rèn)。（7）定）定義接觸區(qū)域：依據(jù)接觸區(qū)域：依據(jù)懸臂梁的振臂梁的振動要求，將所有接觸定要求，將所有接觸定義為系系統(tǒng)默默認(rèn)的的Bonded。（8）定）定義網(wǎng)格控制并劃分網(wǎng)格：網(wǎng)格控制并劃分網(wǎng)格：選擇模型模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。行網(wǎng)格劃分。（9）施加固定）施加固定約束：右束：右擊Static StructuralInsertFixed Support，選擇約束面束面約束。束。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析（10）施加位移）施加位移載荷。荷。（11）結(jié)果后果后處理（理（設(shè)置求解置求解項）：在）：在Solution中中選擇插入插入Equivalent Stress，Equivalent Elastic Strain，Directional Deformation，分，分別求解求解應(yīng)力，力，應(yīng)變，和定，和定向位移。向位移。靜力分析靜力分析結(jié)果如下：果如下：（1）、）、應(yīng)力分布力分布蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析（2）、）、應(yīng)變分布分布（3）、）、X,Z方向的定向方向的定向變形：形：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析模模態(tài)分析：分析：u模模態(tài)分析求解分析求解過程與靜力分析基本程與靜力分析基本類似，除了幾下幾點(diǎn)：似，除了幾下幾點(diǎn)：u1）無激勵作用，無）無激勵作用，無預(yù)應(yīng)力力u2）結(jié)果后果后處理（理（設(shè)置求解置求解項）求解求解總變形形Total Deformation：（1）、一）、一階模模態(tài)：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析（2）、二）、二階模模態(tài)：（3）、三）、三階模模態(tài)：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析（4）、四）、四階模模態(tài)：各各階模模態(tài)的固有的固有頻率：率：蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析結(jié)果與果與實驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)對比：比：改改變質(zhì)量量塊大小使大小使質(zhì)量量塊質(zhì)量量為22g，對其其進(jìn)行一介模行一介模態(tài)分析，分析，測得其一得其一階模模態(tài)固有固有頻率率為55.341Hz，在，在實驗中得到中得到質(zhì)量量塊為22g時，一，一階模模態(tài)固有固有頻率率為56.73 Hz，兩者比，兩者比較接近，接近，誤差在差在2%左右。由此也左右。由此也說明有限元模明有限元模擬結(jié)果與果與試驗結(jié)果相差不大。果相差不大。蝴蝶式蝴蝶式壓電懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的裝置的優(yōu)化：化：影響影響壓電發(fā)電裝置的裝置的發(fā)電性能有很多因素，而由于梁的性能有很多因素，而由于梁的長度、度、寬度、度、厚度、材料以及施加的位移厚度、材料以及施加的位移載荷荷對壓電發(fā)電裝置性能的影響可以通裝置性能的影響可以通過固有固有頻率就可以看出，因此我率就可以看出，因此我們只只討論這些因素些因素對壓電懸臂梁裝置臂梁裝置發(fā)電性能的影響。性能的影響。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析梁梁長度度對蝴蝶式蝴蝶式壓電懸臂梁裝置臂梁裝置發(fā)電性能的影響：性能的影響：設(shè)定定懸臂梁的臂梁的寬度度為20mm，厚度，厚度為0.4mm，在不改，在不改變梁的梁的寬度、度、厚度、厚度、質(zhì)量量塊質(zhì)量以及量以及壓電片大小的前提下，片大小的前提下，單獨(dú)分析梁的獨(dú)分析梁的長度度對壓電發(fā)電裝置裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)諧振振頻率的影響。分率的影響。分別取取100mm，110mm，120mm，130mm，140mm長度的度的懸臂梁，臂梁，對其一其一階固有固有頻率率進(jìn)行仿真分析。行仿真分析。由由圖看出：在看出：在應(yīng)力力許可的條件下，可的條件下，應(yīng)選擇長度度較長的的懸臂梁。臂梁。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析梁梁寬度度對蝴蝶式蝴蝶式壓電懸臂梁裝置臂梁裝置發(fā)電性能的影響：性能的影響：設(shè)定定懸臂梁的臂梁的長度度為100mm，厚度，厚度為0.4mm，在不改，在不改變梁的梁的長度、度、厚度以及厚度以及質(zhì)量量塊質(zhì)量的前提下，量的前提下，單獨(dú)分析梁的獨(dú)分析梁的寬度度對壓電發(fā)電裝置裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)諧振振頻率的影響。分率的影響。分別取取20mm，22mm，24mm，26mm，28mm寬度的度的懸臂梁，臂梁，對其一其一階固有固有頻率率進(jìn)行仿真分析。行仿真分析。由由圖看出：在看出：在應(yīng)力力許可的條件下，可的條件下，應(yīng)選擇寬度度較窄的窄的懸臂梁。臂梁。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析梁厚度梁厚度對蝴蝶式蝴蝶式壓電懸臂梁裝置臂梁裝置發(fā)電性能的影響：性能的影響：設(shè)定定懸臂梁的臂梁的長度度為100mm，寬度度為20，在不改，在不改變梁的梁的長度、度、質(zhì)量量塊質(zhì)量以及量以及壓電片大小的前提下，片大小的前提下，單獨(dú)分析梁厚度獨(dú)分析梁厚度對壓電發(fā)電裝置裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)諧振振頻率的影響。分率的影響。分別取取0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，對其一其一階固有固有頻率率進(jìn)行仿真分析。行仿真分析。由由圖看出：在看出：在應(yīng)力力許可的條件下，可的條件下，應(yīng)選擇厚度厚度較薄的薄的懸臂梁。臂梁。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析 梁形狀梁形狀對蝴蝶式蝴蝶式壓電懸臂梁裝置臂梁裝置發(fā)電性能的影響：、性能的影響：、設(shè)定定懸臂梁的臂梁的長度度為100mm，寬度度為30mm，厚度，厚度為0.4mm，在不，在不改改變梁的梁的長度、度、寬度、厚度、度、厚度、質(zhì)量量塊質(zhì)量以及量以及壓電片大小的前提下，片大小的前提下，單獨(dú)分析梁的形狀獨(dú)分析梁的形狀選擇對壓電發(fā)電裝置裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)諧振振頻率的影響。形狀率的影響。形狀為橢圓，矩形，三角形，梯形，梁形狀，并，矩形，三角形，梯形，梁形狀，并對其一其一階固有固有頻率率進(jìn)行仿真行仿真分析。分析。由由圖看出：在看出：在應(yīng)力力許可的條件下，可可的條件下，可選擇三角形的三角形的懸臂梁。臂梁。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析位移位移載荷荷對蝴蝶式蝴蝶式壓電懸臂梁裝置臂梁裝置應(yīng)力的影響：力的影響：設(shè)定定懸臂梁的臂梁的長度度為100mm，寬度度為20mm，厚度，厚度為0.4mm，在不，在不改改變梁的梁的長度、度、寬度、厚度以及度、厚度以及壓電片大小的前提下，片大小的前提下，單獨(dú)分析位移獨(dú)分析位移載荷荷對壓電發(fā)電裝置裝置應(yīng)力的影響。分力的影響。分別取取2mm，4mm，6mm，8mm，10mm的位移的位移載荷，荷，對其最大其最大應(yīng)力力進(jìn)行仿真分析。行仿真分析。由由圖看出：通看出：通過在在懸臂梁兩端增加位移臂梁兩端增加位移載荷可有效提高梁的荷可有效提高梁的應(yīng)力，力，從而提高裝置的從而提高裝置的發(fā)電能力。能力。蝴蝶式蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元分析裝置的有限元分析優(yōu)化化結(jié)果：果：通通過ANSYS的靜力分析和模的靜力分析和模態(tài)分析得出如下分析得出如下結(jié)論：在：在應(yīng)力力許可條件下，可條件下，應(yīng)選擇長度度較長、寬度度較窄、厚度窄、厚度較薄的三角形薄的三角形懸臂梁，并盡可臂梁，并盡可能施加能施加較大的位移大的位移載荷。荷?？偨Y(jié)本本論文的主要研究文的主要研究結(jié)果如下：果如下：u1、了解了、了解了壓電發(fā)電的的發(fā)展展歷史以及國內(nèi)外史以及國內(nèi)外壓電發(fā)電的的發(fā)展展現(xiàn)狀，狀，對壓電發(fā)電的模型的模型結(jié)構(gòu)構(gòu)進(jìn)一步的探索，從而建立了新一步的探索，從而建立了新型蝴蝶式型蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的裝置的Solid-woks模型。模型。u2、通、通過實驗平臺的建立，平臺的建立，對新型蝴蝶式新型蝴蝶式壓電懸臂梁做臂梁做實驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)的記錄，以，以獲得得對ANSYS有限元模型數(shù)據(jù)的有限元模型數(shù)據(jù)的對比分析，比分析，從而從而驗證有限元模型的正確性。有限元模型的正確性。u3、基于、基于ANSYS有限元有限元軟件，利用件，利用Solid-works三三維軟件及件及ANSYS Workbench建立了蝴蝶式建立了蝴蝶式懸臂梁臂梁壓電發(fā)電裝置的有裝置的有限元模型，并限元模型，并對其其進(jìn)行行詳細(xì)的靜力分析和模的靜力分析和模態(tài)分析，分析，記錄其其數(shù)據(jù)。在此基數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，上，對模型模型進(jìn)行行優(yōu)化化設(shè)計，分，分別從從長度、度、寬度、厚度、材料和位移度、厚度、材料和位移載荷五個方面來荷五個方面來討論，得出的，得出的結(jié)論為：在在應(yīng)力力許可條件下，可條件下，應(yīng)選擇長度度較長、寬度度較窄、厚度窄、厚度較薄薄的三角形的三角形懸臂梁，并盡可能施加臂梁，并盡可能施加較大的位移大的位移載荷。荷。