Skip to main content
SUPERVISOR
Reza Tikkani,Saeed ZeiaeiRad
رضا تیکنی (استاد راهنما) سعید ضیائی راد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Javad Shams Falavarjani
محمدجواد شمس فلاورجانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

An experimental and theoretical investigation on vibration energy harvesting from bi-stable composite laminates
Some important advantages of composite materials such as their high weight to strength ratio, was the cause of their prevalent use in many industrial cases in past decades. Bi-stable composite structures are special kinds of composite structures that their ability to maintain in their stable configurations without any source of energy has made them suitable for morphing structures. A great amount of research were carried out that focused on the thermal and static behavior of these special plates. The main goal of the present study is the dynamic response and energy harvesting of [0/90] bi-stable composite plates with piezoelectric patches. Therefore, a specially-written MATLAB code based on the Rayleigh-Ritz technique and minimizing the potential energy is developed to compute statically stable states of the plate. Afterwards, the electromechanical equations for a bi-stable composite plate with piezoelectric patches, short circuit and open circuit natural frequencies, optimal electric resistance, and dynamic time responses of the plate to different harmonic base accelerations were computed using Rayleigh-Ritz model in conjunction with Hamilton’s principle. The results were in agreement with the results obtained by finite element simulations in ANSYS software. To eliminate the errors in the results from Rayleigh-Ritz method compared with the finite element method, a biquadratic shape function for the out-of-plane displacement field is proposed. This shape function considers a variable curvature for the plate in the directions x and y in contrast with Hyer proposed function in which the curvatures are considered to be constant. The effect of such a function is evaluated in the static and dynamic behaviors of the plate. The assumption of variable curvatures in the mentioned directions for calculating the stable states, the optimal electric resistance, and short circuit and open circuit frequencies is more appropriate and more consistent with the results obtained from the finite element method. Furthermore, the concept of energy harvesting from vibrations of bi-stable composite plates undergoing different base accelerations is investigated analytically, experimentally, and by simulating the problem in ANSYS software. The results revealed that these plates have more ability in producing electric power and wider bandwidth in comparison with conventional linear plates because of having non-linear behavior and their snap-through between stable states. Keywords : Bi-stable composite plates, Piezoelectric patches, Hamilton’s principle, dynamic response, electromechanical equations, Energy harvesting
استفاده از مواد مرکب به علت مزایای فراوان از قبیل نسبت استحکام به وزن بالا، سختی زیاد و مقاومت به خوردگی بالا یکی از مهم ترین علل پیشرفت صنایع گوناگون در چند دهه گذشته بوده است. سازه های دوپایداره مرکب دسته ای از مواد مرکب هستند که به علت دارا بودن دو حالت پایدار و عدم نیاز به صرف هیچ گونه انرژی برای ماندن در هر یک از این حالت های پایدار، کاربردهای فراوانی به ویژه در سازه های مورفینگ دارند و توجه بسیاری از محققین و انجمن های هوافضا را به خود جلب کرده اند. تاکنون مطالعات زیادی در زمینه پاسخ حرارتی و استاتیکی این صفحات انجام شده است، به همین دلیل تمرکز این مطالعه بیشتر بر بررسی پاسخ دینامیکی و برداشت انرژی الکتریکی از صفحات مرکب دوپایداره با چینش [90/0] به همراه وصله های پیزوالکتریک است. بدین منظور در ابتدا با نوشتن برنامه ویژه در نرم‌افزار متلب و با استفاده از روش ریلی - ریتز و کمینه سازی انرژی پتانسیل سیستم، حالت های پایدار به دست آمده است. در ادامه با استفاده از مدل توسعه یافته هیر به همراه اصل همیلتون معادلات الکترومکانیکی صفحه ی مرکب دوپایداره به همراه وصله های پیزوالکتریک استخراج شده و فرکانس های طبیعی اتصال کوتاه و مدار باز ورق، مقاومت الکتریکی بهینه و پاسخ دینامیکی آن تحت تأثیر شتاب های پایه هارمونیک مختلف محاسبه و با نتایج شبیه‌سازی در نرم‌افزار اجزای محدود انسیس مقایسه شده است. هم چنین به منظور کاهش خطاهای موجود در نتایج به دست آمده از روش تقریبی نسبت به روش اجزای محدود، یک تابع شکل مرتبه 4 برای میدان جابجایی خارج از صفحه ارائه گردیده است. این تابع شکل بر خلاف تابع شکل پیشنهادی هیر، انحنای ورق در راستای x و y را متغیر در نظر می گیرد. اثر تابع شکل مرتبه 4 بر حالت های پایدار و پاسخ دینامیکی ورق بررسی و نشان داده شده است که فرض انحناهای متغییر در این تابع شکل جهت محاسبه حالت های پایدار، مقاومت الکتریکی بهینه و فرکانس‌ های طبیعی اتصال کوتاه و مدار باز ورق مناسب hy;تر است و سازگاری بهتری با نتایج به دست آمده از روش اجزای محدود دارد. در پایان نیز به مطالعه ایده ی برداشت انرژی الکتریکی از ارتعاشات صفحات مرکب دوپایداره تحت اثر شتاب های پایه ی هارمونیک مختلف به صورت تحلیلی، تجربی و شبیه سازی پرداخته شده و نشان داده شده است که استفاده از این صفحات به علت دارا بودن رفتار غیرخطی و وقوع پدیده پرش ناگهانی بین حالت های پایدار خود، باعث افزایش توان الکتریکی تولیدی و پهنای باند نسبت به سیستم های خطی می شود. کلمات کلیدی: صفحات مرکب دوپایداره، وصله ها ی پیزوالکتریک، اصل همیلتون، پاسخ دینامیکی، معادلات الکترومکانیکی، برداشت انرژی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی