Skip to main content
SUPERVISOR
Reza Tikkani,Saeed ZeiaeiRad
رضا تیکنی (استاد مشاور) سعید ضیائی راد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Seyyed amir mohammad Managheb
سید امیرمحمد مناقب

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

An Investigation on Flexoelectric Effect and Energy Harvesting from Timoshenko Nanobeam
The coupling between strain gradients and polarization is called Flexoelectricity. This phenomenon exists in all dielectrics with any symmetry that its discovery dates back several decades ago. Nevertheless, there are afew researches on flexoelectricity in solids due to small value of this phenomenon in bulk samples. However, the favour of flexoelectricity has renewed with progress of nanoscale technologies. In this research, the basis of the flexoelectricity and the potential applications of this electromechanical effect is introduced. In particular, energy harvesting (here the converting ambient mechanical vibrations to electrical energy) can be one of the attractive applications of this effect. Then, to more precise study of effect and effective parameters in energy harvesting, Timoshenko beam model is developed with flexoelectric and straing gradient effects.General govering equations and related boundry conditions are derived using variational and Hamilton principel for flexoelectricity with considering of normal and shear strains. The flexoelectric effect induced by gradients of these strains lead to more general model. Deformations and performance curves of the system include deflection, rotation, voltage, power density and etc are ploted. The variations of flexoelectric coefficients, strain gradient constants, base acceleration and attaching tip mass is discussed too. Results show that flexoelectricity has great effect on energy harvester performance and significantly increased from micro to submicron and nano scales. In addition, the flexoelectricity has considerable impact on beam deformations and make the beam behavior become softer. Thus, both the rotation and deflection obtained by this new model is larger than predicted value by left; LINE-HEIGHT: normal; MARGIN: 0in 0in 0pt; unicode-bidi: embed; DIRECTION: ltr" Keywords: Energy harvesting, Flexoelectricity, electromechanical coupling, strain gradient, Timoshenko beam theory, hort circuit natural frequency, open circuit natural frequency
فلکسوالکتریسیته کوپل بین قطبش و گرادیان کرنش است. این پدیده، یک اثر فراگیر در همه مواد با هر تقارنی است که کشف آن به چند دهه قبل برمی گردد. با این وجود، بررسی و مطالعات فلکسوالکتریسیته در جامدات به علت مقدار کم ظاهری این اثر در نمونه های حجیم نادر است. با توسعه تکنولوژی مقیاس نانو، علاقه به فلکسوالکتریسیته تجدید شده است؛ زیرا گرادیان کرنش بزرگ، اغلب در مقیاس نانو آشکار می گردد که این خود منجر به اثر فلکسوالکتریک قوی می شود. در این مقیاس، خواص مواد ارتباط قوی با اندازه نشان می دهند. در پژوهش حاضر، بنیان اثر فلکسوالکتریک در جامدات معرفی و نگاهی به کاربردهای بالقوه این پدیده الکترومکانیکی می شود. به طور مشخص، برداشت انرژی از ارتعاشات مکانیکی محیط که راهی جذاب برای تأمین منابع وسایل میکرو و نانوی خودتوان می باشد، بررسی می گردد. به هرحال، پیزوالکتریسیته تنها محدود به مواد مشخصی می باشد؛ بدین منظور در پژوهش حاضر، نخست امکان برداشت انرژی با استفاده از پدیده فلکسوالکتریسیته در مدل تیر اویلر-برنولی بررسی می شود. پس از آن به منظور مطالعه دقیق تر اثر و پارامترهای مؤثر در برداشت انرژی، مدل تیر تیموشنکو در مقیاس زیرمیکرون و نانو به همراه اثرات فلکسوالکتریسیته توسعه داده شده است. با استفاده از اصل تغییرات و هامیلتون، معادلات حاکم و شرایط مرزی مربوطه به دست آورده می شود. از آن جایی که کرنش نرمال و برشی برای تیر تیموشنکو لحاظ می گردد، اثر فلکسوالکتریک القا شده توسط گرادیان این کرنش ها سبب مدل عمومی تری می گردد. براساس این مدل جدید، مسئله برداشت انرژی تیر یک سر گیردار تحت تحریک هارمونیک پایه بررسی و اثر فلکسوالکتریسیته روی تیرهای دی الکتریک تیموشنکو تحلیل می گردد. مدل توسعه داده شده، مدل تیر تیموشنکوی کلاسیک را هنگام عدم درنظرگیری فلکسوالکتریسیته پوشش می دهد. نمودارهای تغییر شکل و عملکرد سیستم شامل خیز، چرخش، ولتاژ، چگالی توان و موارد دیگر ترسیم شده اند. نتایج نشان می دهند که تأثیر فلکسوالکتریسیته روی ولتاژ و توان خروجی برای ضخامت های کم لایه مهم است و به طور قابل ملاحظه ای با کاهش ضخامت از مقیاس میکرو به نانو افزایش می یابند. همچنین فلکسوالکتریسیته تأثیر قابل ملاحظه ای روی تغییرشکل تیر دارد. بدین صورت که هر دو مورد خیز و چرخش حاصل شده توسط این مدل بزرگ تر از مقدار پیش بینی شده توسط مدل تیموشنکوی کلاسیک است؛ و اختلاف مقادیر بین دو مدل وقتی ضخامت تیر کوچک می شود، خیلی زیاد است. این امر به دلیل گرادیان های کرنش نرمال و برشی بزرگ در مقیاس نانو می باشد. به علاوه، تغییرات ضرایب فلکسوالکتریسیته و درنظرگیری این اثر نه تنها تغییر شکل تیر را تحت تأثیر قرار می دهد؛ بلکه به طور قابل ملاحظه ای فرکانس طبیعی تیر را تغییر می دهد. همچنین اثر تحریک پایه و افزودن جرم نوک تیر در برداشت انرژی نشان داده می شود. با توجه به موارد مطرح شده می توان نتیجه گرفت برداشت انرژی بر پایه اثر فلکسوالکتریسیته می تواند جایگزین مناسبی برای برداشت گرهای نانوپیزوالکتریک باشد. برداشت گر انرژی فلکسوالکتریک حتی برای تیر تک لایه متقارن نیز کاربرد دارد و علاوه بر گستره وسیع انتخاب مواد، امکان برداشت انرژی در دمای بالا برخلاف پیزوالکتریسیته را می توان از آن متصور بود. پژوهش حاضر، راهنمایی برای تحلیل نانوتیر فلکسوالکتریک فراهم آورده و نیز برای فهم پاسخ الکترومکانیکی در مقیاس نانو و طراحی وسایل دی الکتریک مفید است. کلمات کلیدی: برداشت انرژی، فلکسوالکتریسیته، کوپلینگ الکترومکانیکی، گرادیان کرنش، تئوری تیر تیموشنکو، تئوری تیر اویلر-برنولی، فرکانس طبیعی اتصال کوتاه، فرکانس طبیعی مدار باز

ارتقاء امنیت وب با وف بومی