Skip to main content
SUPERVISOR
Reza Tikkani,Saeed ZeiaeiRad
رضا تیکنی (استاد راهنما) سعید ضیائی راد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Negin Habibzadeh
نگین حبیب زاده

FACULTY - DEPARTMENT

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

TITLE

Energy Harvesting from the Vibrations of a Bistable Plate with Piezoelectric Layers under Nonlinear Magnetic Force
Vibration energy harvesting is a new and widely used technology. Harvested energy can be used in small automated systems like wireless sensors and rechargeable batteries. In studies on the vibration energy harvesters, it has been shown that energy harvesters with nonlinear behavior have better performance than the linear counterpart over a wider frequency bandwidth. Bistable laminates are considered as a nonlinear system for vibration energy harvesting. These laminates have two stable states and there is no need to spend energy on maintaining the system in each state. Also, when these laminates change their shape from one stable state to another stable state, large deformations occur in them that makes them a good choice for energy harvesting. In this study, the energy harvesting of bistable laminate with piezoelectric layers is investigated. Also, for the first time, the effect of adding magnetic forces to the system will be investigated. It is expected that the magnetic force will improve the performance of the energy harvester system by reducing the base excitation for snap-through. In this regard, firstly, static analysis will be done by minimizing potential energy with the Rayleigh-Ritz method and the written code in MATLAB software. ABAQUS commercial software has been used to develop a finite element model. The results show that adding magnet force reduces out-of-plane displacement and quasi-static snap-through force. Then the dynamical equations are extracted by using Hamilton’s principle. Dynamic analyzes will be studied by developing a semi-analytical model, finite element simulations, and carrying out experimental tests. Also, the effect of adding concentrated mass and magnet force will be examined separately. According to the results, adding magnets reduces base excitation that is needed for snap-through between stable states. This will improve the performance of the system without a magnetic force. After the confirmation of the semi-analytical model in dynamic studies, energy harvesting from a bistable plate with piezoelectric layers under magnetic force is studied by obtaining the governing electromechanical equations of the system with semi-analytical method. in the end, the effect of adding magnet force on improving energy harvesting from the vibration of the bistable composite plate will be investigated. The magnetic force causes the system to reach continuous snap-through with less excitation. So the performance of the energy harvester improves significantly. Keywords : Vibration energy harvesting, Nonlinear harvester, Bistable composite plate, Piezoelectric layers, Magnet force
برداشت انرژی ارتعاشی محیط یک فن آوری جدید و پرکاربرد است. از انرژی برداشت شده می توان در سیستم های خودکار کوچک مثل شبکه ی حسگرهای بی سیم و باتری هایی که قابلیت شارژ مجدد دارند استفاده کرد. در مطالعاتی که بر روی برداشت کننده های انرژی ارتعاشی انجام شده است، نشان داده شده که برداشت کننده های با رفتار غیرخطی در بازه ی وسیع تر فرکانسی، عملکرد بسیار بهتری نسبت به سیستم خطی معادل خود دارند. ورق های مرکب دوپایداره به عنوان یک سیستم غیرخطی برای برداشت انرژی ارتعاشی مورد توجه قرار گرفته اند. این ورق ها دارای دو حالت تعادل پایدار هستند که برای نگه داشتن سیستم در هر یک از این حالت ها نیازی به صرف انرژی وجود ندارد. همچنین وقتی این ورق ها از یک حالت پایدار به یک حالت پایدار دیگر تغییر وضعیت می دهند، تغییرشکل های زیادی در آن ها رخ می دهد که این ورق ها را به گزینه ی مناسبی برای برداشت انرژی تبدیل می کند. در این تحقیق به مطالعه ی برداشت انرژی از ورق های مرکب دوپایداره توسط لایه های پیزوالکتریک پرداخته می شود. همچنین برای اولین بار تأثیر اضافه کردن نیروی آهنربا به این سیستم بررسی خواهد شد. انتظار می رود که اضافه شدن نیروی آهنربا با کاهش تحریک لازم، باعث بهبود عملکرد برداشت کننده ی انرژی شود. در این راستا ابتدا تحلیل های استاتیکی با استفاده از کمینه سازی انرژی پتانسیل از روش ریلی-ریتز و توسط برنامه ی نوشته شده در نرم افزار متلب و مدل سازی در نرم افزار اجزای محدود آباکوس انجام خواهد شد. نتایج نشان می دهند که اضافه کردن نیروی آهنربا باعث کاهش جابه جایی خارج از صفحه ی ورق و کاهش نیروی پرش شبه-استاتیکی می شود. سپس معادلات دینامیکی با استفاده از اصل همیلتون استخراج شده و تحلیل های دینامیکی از سه روش نیمه-تحلیلی، اجزای محدود و تجربی انجام خواهند شد و تأثیر اضافه شدن جرم و نیروی آهنربا به صورت مجزا بررسی خواهد شد. مطابق بررسی ها اضافه کردن آهنربا باعث کاهش تحریک لازم برای پرش بین حالت های پایدار شده و از این طریق موجب بهبود سیستم بدون نیروی آهنربا می شود. پس از آن که صحت مدل نیمه-تحلیلی در بررسی های دینامیکی مشخص شد، برداشت انرژی از ورق های مرکب دوپایداره با لایه های پیزوالکتریک تحت نیروی آهنربا با استخراج معادلات الکترومکانیکی حاکم بر سیستم توسط روش نیمه-تحلیلی انجام خواهد شد. در آخر تأثیر اضافه شدن نیروی آهنربا بر بهبود برداشت انرژی از ارتعاشات ورق مرکب دوپایداره بررسی خواهد شد. اضافه کردن نیروی آهنربا باعث می شود سیستم با تحریک کمتری به نوسانات پرش متناوب برسد و به همین دلیل موجب بهبود برداشت انرژی می شود. کلمات کلیدی: برداشت انرژی ارتعاشی، برداشت کننده ی غیرخطی، ورق مرکب دوپایداره، لایه های پیزوالکتریک، نیروی آهنربا

ارتقاء امنیت وب با وف بومی