Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Reza Tikkani
سعید ضیائی راد (استاد مشاور) رضا تیکنی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Reza Eshtehardiha
رضا اشتهاردیها

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Energy harvesting from a double cantilever beam with internal resonance
Conventional harvester systems usually have linear behavior. One of the great matters in these systems is that energy is harvested in a low frequency bandwidth. In this study, double cantilever beams are used for energy harvesting. Two beams are connected at the end of them through a linear spring. The bimorph piezoelectric patches are attached to the top beam using double-sided tape for energy harvesting. A pair of the magnet is applied for adding a nonlinear effect to the system. One of the magnets is mounted at the end of the bottom beam, and another is on the system's base. The whole system is designed based on the internal resonance phenomenon. Base excitation of the acceleration type is used for exciting system. The governing equations of the system's vibration are derived using the energy method by the Euler-Bernoulli assumptions. Next, the system is discretized by the assumed modes approach. Two cases are investigated, including the absence and the presence of the magnetic force. In the absence of the magnetic force, the magnet mounted on the system's base is removed, and thus the system shows a linear behavior. In the presence of the magnetic force, the nonlinearity and internal resonance effects on the energy harvesting are investigated. The obtained equations of motion are solved with numerical and method of multiple scales (MMS) solutions. For the first time in this study, MMS is derived based on new scaling for a two-degrees-of-freedom system with quadratic and cubic nonlinear terms. MMS solution based on our proposed scaling is more accurate than the MMS solution based on conventional scaling that others have used. It predicts the frequency response peaks and their corresponding frequencies more precisely compared to the numerical solution. A test rig was designed and fabricated for experimental studies. The experimental results show that the performed modeling is in good agreement with the experimental data. The obtained results show that in the presence of the magnetic force, energy is usually harvested in a broader frequency bandwidth in comparison to the absence of magnetic force. However, its peak voltage can be higher or lower than the absence of the magnetic force. Depending on need, the system's parameters in the case of the presence of magnetic force can be selected in such a way that the bandwidth, or peak voltage, or both increase compared to the absence of magnetic force. Keywords energy harvesting, double cantilever beams, nonlinear vibration, internal resonance, assume mode, method of multiple scale
یکی از روش‌های تولید انرژی الکتریکی، برداشت انرژی از ارتعاشات محیطی با استفاده از مواد پیزوالکتریک است که برای تامین انرژی تجهیزات الکترونیکی کم توان کارایی دارد. برداشت‌کننده‌های انرژی معمولا رفتار خطی دارند و مشکل بسیاری از آن‌ها، کوچک بودن پهنای باند برداشت انرژی است. در این پژوهش از یک سیستم تیر دوگانه گیردار برای برداشت انرژی استفاده می‌شودکه در انتها توسط یک فنر به یکدیگر متصل می‌شوند. وصله‌های پیزوالکتریک توسط چسب‌های دو طرفه بر روی سطوح پایین و بالای تیر بالا، نصب شده‌اند. از یک جفت آهنربا که یکی بر انتهای تیر پایین قرار گرفته و دیگری بر روی پایه سیستم نصب شده است، برای افزودن اثر غیرخطی به سیستم استفاده می‌شود. معادلات حاکم بر سیستم از روش انرژی و با فرض اویلر برنولی برای تیرهای دوگانه، توسط روش گسسته‌سازی مودهای فرضی استخراج می‌گردند. سیستم پیشنهادی به صورت یک سیستم دو درجه آزادی مدل شده و پارامترهای آن به گونه‌ای طراحی می‌شوند که در آن، تشدید داخلی رخ دهد. به دلیل اهمیت لایه چسب دوطرفه بین وصله‌های پیزوالکتریک و تیر بالا، در اتلاف بخشی از کرنش محوری منتقل شده از تیر بالا به وصله‌ها، اثر آن‌ها در مدل‌سازی سیستم در نظر گرفته می‌شود. معادلات حرکت استخراج شده، توسط راه‌حل‌های عددی و مقیاس‌های زمانی چندگانه حل می‌گردند. در استفاده از راه‌حل مقیاس‌های زمانی چندگانه، علاوه بر مقیاس‌گذاری استفاده شده در سایر پژوهش‌ها، مقیاس‌گذاری جدیدی در این پژوهش معرفی می‌گردد که به وسیله آن، دقت حل افزایش می‌یابد. برای صحت‌سنجی نتایج نظری، از آزمایش تجربی استفاده می‌گردد که در دو حالت عدم وجود و وجود آهنربا انجام می‌شود. در حالت عدم وجود آهنربا، آهنربای نصب شده بر پایه سیستم حذف می‌گردد که در این حالت سیستم رفتار خطی از خود نشان می‌دهد. در حالت وجود آهنربا، علاوه بر غیرخطی بودن سیستم، در آن تشدید داخلی نیز رخ می‌دهد و باعث می‌شود که پاسخ فرکانسی سیستم در اطراف فرکانس طبیعی اول خود، دارای دو قله باشد. مقایسه میان نتایج نظری و تجربی نشان می‌دهد که مدل‌سازی ریاضی انجام شده، دقت بالایی در برابر نتایج تجربی دارد و به خوبی می‌تواند رفتار آن‌ها را پیش‌بینی کند. در این پژوهش، هدف بررسی اثر تشدید داخلی و غیرخطی شدن سیستم، در برداشت انرژی است. بدین منظور، پهنای باند برداشت انرژی و قله بیشینه ولتاژ در حالت وجود آهنربا نسبت به شرایط یکسان در حالت عدم وجود آهنربا، مقایسه می‌شوند. سیستم طراحی شده در حالت وجود آهنربا، این قابلیت را دارد که بسته به نیاز، پهنای باند یا قله بیشینه بزرگتری نسبت به حالت عدم وجود آهنربا داشته باشد. هم‌چنین، مزیت دیگر سیستم طراحی شده، برداشت انرژی در فرکانس‌های پایین و شتاب‌ پایه‌های کوچک است. کلمات کلیدی برداشت انرژی، تیر دوگانه گیردار، ارتعاشات غیرخطی، تشدید داخلی، مودهای فرضی، روش مقیاس‌های زمانی چندگانه.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی