Skip to main content
SUPERVISOR
Mostafa Ghayour,Hamidreza Mirdamadi
مصطفی غیور (استاد راهنما) سیدحمیدرضا میردامادی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Majid Jabbari
مجید جباری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388

TITLE

Energy Harvesting from Vibration of Piezoelectric Multilayers Structures by Using Experimental and Numerical Methods
The vibration of structures is an important source of energy harvesting. Vibration analysis can be obtained through harmonic excitation. The piezoelectric structure can be used for the vibration to electrical energy conversion. The behavior of piezoelectric structures is extracted by the coupling of electrical and mechanical parameters. This model can be in the form of a flexible beam and plate, and can be used for large deformations. Large deformation and nonlinear material behavior can cause improper results when using linear theory. In this case nonlinear theory must be used. In order to study this model, the finite element method can be applied for the piezoelectric nonlinear beam and plate. Theoretical Results are verified by the experimental results. In the theory, Green-Lagrange strain-displacement equations are used for expressing the geometric nonlinearity. The motion equation is obtained from the Hamilton variational principle. Newmark technique and iteration method are applied for the dynamic analysis and nonlinear solution. The bimorph, multilayer piezoelectric beam with concentrated mass and plate are used in the numerical simulation and experimental implementation for the dynamics behavior verification due to the excitation of the harmonic load. The piezoelectric effect on the voltage, velocity and acceleration responses can be effective. The generated voltage and power depend on the type of connection layers, excitation load and resistive load in the resonance excitation. The resonance frequency depends on resistive load and amplitude of excitation load, and changes between the short-circuit and open-circuit resonance frequencies. The maximum power is obtained in the optimum load resistance with the corresponding resonance frequency. The variable boundary conditions and the separation method of electrodes in the piezoelectric plate affect the electric response and energy harvesting in the resonance excitation. According to the voltage cancelling phenomenon, the voltage output of the continuous electrode decreases comparative to the segmented electrodes. The maximum voltage value in the separated electrodes and the minimum voltage value in the continuous electrode are obtained for clamp boundary conditions in the piezoelectric plate. Keyword : Energy Harvesting, Beam, Plate, Piezoelectric, Multilayer, Geometrical nonlinear, Vibration, Experimental, Numerical Method.
ارتعاشات سازه از منابع مهم برداشت انرژی می باشد که یکی از عوامل ایجادآن، تحریک هارمونیک است. سه مکانیزم اصلی الکترواستاتیک، الکترومغناطیس و پیزوالکتریک جهت تبدیل انرژی ارتعاشی به الکتریکی وجود دارند. برداشت انرژی ارتعاشات پیزوالکتریک به دلیل کاربرد ساده و تنوع کاربردی آن مورد توجه بیشتری می باشد. انگیزه های اصلی این تحقیق استفاده از انرژی های موجود و تلف شونده در محیط، استفاده از مواد هوشمند مانند پیزوالکتریک جهت بازیافت انرژی و بکارگیری سازه هایی با تغییرشکل و کرنش بزرگ جهت حصول توان بیشینه در صنایع خودرو و هواییماسازی می باشند.در این تحقیق برداشت انرژی از ارتعاشات سازه های تیر و ورق غیرخطی هندسی با خصوصیت پیزوالکتریک به صورت تئوری و راستی آزمایی نتایج با اجرای آزمایش مورد توجه قرار می گیرد. در تئوری از روش اجزا محدود جهت تدوین برنامه محاسباتی استفاده می شود.در شبیه سازی عددی و اجرای آزمایش، تیر نمونه پیزوالکتریک دوشکلی، چند لایه ای و ورق نمونه پیزوالکتریک دوشکلی بکار می رود. در تیر نمونه از جرم متمرکز در طول تیر تحت تحریک بار هارمونیک و در ورق نمونه از شرایط تکیه گاهی مختلف استفاده می شوند. نتایج ولتاژ و توان الکتریکی وابسته به نوع اتصال الکترودها، بار تحریک و بار مقاومتی در تیر چند لایه ای پیزوالکتریک در حالت تشدید می باشند. فرکانس تشدید وابسته به بار مقاومتی و دامنه بار تحریک بوده و در محدوده بین فرکانس تشدید حالت مدار کوتاه و مدار باز تغییر می کند. توان در بار مقاومتی بهینه با فرکانس تشدید مربوط به این بار مقاومتی به بیشینه مقدار خواهد رسید. شرایط مختلف تکیه گاهی و روش جداسازی الکترودها در سازه ورق پیزوالکتریک، تاثیرگذار در پاسخ الکتریکی و برداشت انرژی با تحریک تشدید خواهند بود. بر اساس وجود پدیده حذف ولتاژ، کاهش ولتاژ خروجی الکترود پیوسته نسبت به الکترودهای جداشده حاصل می گردد. بیشترین مقدار ولتاژ حاصله در حالت الکترودهای جداشده و کمترین ولتاژ در حالت الکترود پیوسته مربوط به شرایط تکیه گاه های گیردار در سازه ورق پیزوالکتریک می باشند.کلمات کلیدی: برداشت انرژی، تیر، ورق، پیزوالکتریک، چند لایه ای، غیرخطی هندسی، رفتار ارتعاشی، روش تجربی، روش عددی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی