<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="en"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">donstu</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="en">Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)</journal-title><trans-title-group xml:lang="ru"><trans-title>Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="epub">2687-1653</issn><publisher><publisher-name>Don State Technical University</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.12737/3516</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">donstu-300</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>TECHNICAL SCIENCES</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>FINITE-ELEMENT MODELLING OF PIEZOELECTRIC ENERGY STORAGE DEVICE BASED ON CANTILEVER</article-title><trans-title-group xml:lang="ru"><trans-title>Конечно-элементное моделирование пьезоэлектрического устройства накопления энергии на основе кантеливера</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Соловьёв</surname><given-names>Аркадий Николаевич</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Solovyev</surname><given-names>Arkady Nikolayevich</given-names></name></name-alternatives><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Ле Ван</surname><given-names>Зыонг</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Le Van</surname><given-names>Duong</given-names></name></name-alternatives><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Донской государственный технический университет, Россия</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Don State Technical University, Russia</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2014</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>30</day><month>03</month><year>2014</year></pub-date><volume>14</volume><issue>1</issue><fpage>169</fpage><lpage>179</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Solovyev A.N., Le Van D., 2014</copyright-statement><copyright-year>2014</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Соловьёв А.Н., Ле Ван З.</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Solovyev A.N., Le Van D.</copyright-holder><license xml:lang="ru" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.</license-p></license><license xml:lang="en" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://www.vestnik-donstu.ru/jour/article/view/300">https://www.vestnik-donstu.ru/jour/article/view/300</self-uri><abstract><p>Simulating a piezoelectric generator which is an element of the energy storage device is considered. A piezoelectric generator appears a cantilever - mounted plate on which the piezoelectric elements are glued, and the inertial mass is attached. Two options of the plate vibration exc itation are investigated. In the first case, the fixed side executes heave harmonic motions at a given frequency and with the desired amplitude; in the second — a ha r monic force is applied to this side. A three - dimensional boundary - value problem of the lin e ar theory of electroelasticity for the composite elastic and piezoelectric body is considered as a mathematical model of the device. The bo undary pro blem is solved through the finite - element package ANSYS. Under the numerical solution, PKR - 7M piezoceramic is taken as a piezoelectric material, whereas fiberglass, duralumin, steel are considered as a plate ma t e rial. Aluminum is used as a material of the inertial mass. Two cases are studied computationally. In the first case , the fixed side e x ecutes vertical harmonic vibrations at a given frequency and with a preset amplitude, in the second case, the force varying in a harmonic fashion is applied to this side. The device resonance frequency dependen ce upon the plate thickness for various materials and upon the value of the inertial element mass is studied. The results are pr esented graphically that allows finding the resonant frequency for certain sizes. The output potentia l dependences at the free electrodes of the piezoelectric elements on the resonant freque ncies and in the low - frequency region on the same parameters are investigated. These results are also presented graphically that allows a des igner to select reasonable feature sizes and the mix of ma terials to optimize the device.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="ru"><p>Рассматривается моделирование пьезоэлектрического генератора, который является элементом устройства накопления энергии. Пьезоэлектрический генератор представляет собой ко н сольно - закрепл ё нную пластину , на которую наклеены пьезоэлектрические элементы и присоединена инерционная масса. Исследуются два варианта возбуждения колебаний пластины . В первом — закрепл ё нная сторона совершает вертикальные гармонические колебания на заданной частоте и с заданной амплитудой, во втором к этой стороне прилож ена сила, изменяющаяся по гармоническому закону. В качестве математической модели устройства рассма тривается тр ё хмерная краевая задача линейной теории электроупругости для составного упругого и пьз оэлектрического тела. Решение краевой задачи проводится методом конечных элементов в пакете ANSYS . При численном решении в качестве пьезоэлектрического материа ла взята пьезокерамика ПКР - 7М, а в кач естве м а териала пластины рассмотрены стеклопластик, дюраль, сталь . В качестве материала инерционной массы используется алюминий. Численно исследованы два случая колебания на резонансной частоте и к олебания в низкочасто тной области на частоте значительно меньшей частоты первого резонанса. Проведено исследование зависимости резонансной частоты устройства от толщины пластины для различных матери алов и от в е личины массы инерционного элемента . Р езультаты представлены в виде графиков, позволяющих найти резонансную частоту для определ ё нных размеров. Исследованы зависимости выходного потенциала на свободных электродах пьезоэлементов на резонансных частотах и в низкочастотной области от этих же параметров, эти результаты представ лены также в виде графиков, что позволяе т конструктору выбрать раци ональные размеры элементов и сочетание материалов для достижения наибольшей эффективности устро й ства.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>МКЭ</kwd><kwd>накопление энергии</kwd><kwd>пьезоэлектрик</kwd><kwd>оптимизация</kwd><kwd>кантилевера</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>FEM</kwd><kwd>energy sto rage</kwd><kwd>piezoelectric</kwd><kwd>optimization</kwd><kwd>cantilever.</kwd></kwd-group><funding-group><funding-statement xml:lang="ru">Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 13-01-00196-a, 13-01-00943-a)</funding-statement><funding-statement xml:lang="en">The research is done with the financial support from RFFI (Grants nos. 13-01-00196-a, 13-01-00943-a).</funding-statement></funding-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Priya, S. Energy harvesting technologies / S. Priya, D. J. Inman // Springer Science+Business Media, LLC. — 2009. — 522 p.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Priya, S. Energy harvesting technologies / S. Priya, D. J. Inman // Springer Science+Business Media, LLC. — 2009. — 522 p.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Erturk, A. Piezoelectric energy harvesting / A. Erturk, D. J. Inman // John Wiley &amp; Sons, Ltd. — 2011. — 402 p.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Erturk, A. Piezoelectric energy harvesting / A. Erturk, D. J. Inman // John Wiley &amp; Sons, Ltd. — 2011. — 402 p.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Minazara, E. Piezoelectric Generator Harvesting Bike Vibrations Energy to Supply Portable Devices / E. Minazara, D. Vasic, F. Costa // In Proceedings of ICREPQ, 12‒14 March 2008, Santander, Spain. — 6 p.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Minazara, E. Piezoelectric Generator Harvesting Bike Vibrations Energy to Supply Portable Devices / E. Minazara, D. Vasic, F. Costa // In Proceedings of ICREPQ, 12‒14 March 2008, Santander, Spain. — 6 p.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Glynne-Jones, P. An electromagnetic, vibration-powered generator for intelligent sensor systems / P. Glynne-Jones, M. J. Tudor, S. P. Beeby, N. M. White // Sens. Actuators A Phys. — 2004. — Vol. 110. — № 1. — Pp. 344‒349. 5. Mitcheson, P. D. MEMS electrostatic micropower generator for low frequency operation / P. D. Mitcheson, P. Miao, B. H. Stark, E. M. Yeatman, A.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Glynne-Jones, P. An electromagnetic, vibration-powered generator for intelligent sensor systems / P. Glynne-Jones, M. J. Tudor, S. P. Beeby, N. M. White // Sens. Actuators A Phys. — 2004. — Vol. 110. — № 1. — Pp. 344‒349. 5. Mitcheson, P. D. MEMS electrostatic micropower generator for low frequency operation / P. D. Mitcheson, P. Miao, B. H. Stark, E. M. Yeatman, A.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">S. Holmes, T. C. Green // Sens. Actuators A Phys. — 2004. — Vol. 115. — № 2. — Pp. 523‒539.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">S. Holmes, T. C. Green // Sens. Actuators A Phys. — 2004. — Vol. 115. — № 2. — Pp. 523‒539.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Sodano, H. A. A review of power harvesting from vibration using piezoelectric materials / H. A. Sodano, G. Park, D. J. Inman // Shock Vib. Digest. — 2004. — Vol. 36. — № 3. — Pp. 197‒205.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Sodano, H. A. A review of power harvesting from vibration using piezoelectric materials / H. A. Sodano, G. Park, D. J. Inman // Shock Vib. Digest. — 2004. — Vol. 36. — № 3. — Pp. 197‒205.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Anton, S. R. A review of power harvesting using piezoelectric materials (2003‒2006) / S. R. Anton, H. A. Sodano // Smart Mater. Struct. — 2007. — Vol. 16. — № 3. — Pp. 1‒21.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Anton, S. R. A review of power harvesting using piezoelectric materials (2003‒2006) / S. R. Anton, H. A. Sodano // Smart Mater. Struct. — 2007. — Vol. 16. — № 3. — Pp. 1‒21.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Erturk, A. A. Distributed Parameter Electromechanical Model for Cantilevered Piezoelectric Energy Harvesters / A. Erturk, D. J. Inman // Journal of Vibration and Acoustics. — 2008. — Vol. 130. — № 4. — Pp. 041002-1 — 041002-15.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Erturk, A. A. Distributed Parameter Electromechanical Model for Cantilevered Piezoelectric Energy Harvesters / A. Erturk, D. J. Inman // Journal of Vibration and Acoustics. — 2008. — Vol. 130. — № 4. — Pp. 041002-1 — 041002-15.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Dutoit, N. E. Design considerations for MEMS-scale piezoelectric mechanical vibration energy harvesters / N. E. Dutoit, B. L. Wardle, S. G. Kim // Integr. Ferroelectr. — 2005. — Vol. 71. — № 1. — Pp. 121‒160.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Dutoit, N. E. Design considerations for MEMS-scale piezoelectric mechanical vibration energy harvesters / N. E. Dutoit, B. L. Wardle, S. G. Kim // Integr. Ferroelectr. — 2005. — Vol. 71. — № 1. — Pp. 121‒160.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Sodano, H. A. Estimation of Electric Charge Output for Piezoelectric Energy Harvesting / H. A. Sodano, G. Park, D. J. Inman // Journal of Strain. — 2004. — Vol. 40. — Pp. 49‒58.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Sodano, H. A. Estimation of Electric Charge Output for Piezoelectric Energy Harvesting / H. A. Sodano, G. Park, D. J. Inman // Journal of Strain. — 2004. — Vol. 40. — Pp. 49‒58.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Erturk, A. Analytical Modeling of Cantilevered Piezoelectric Energy Harvesters for Transverse and Longitudinal Base Motions / A. Erturk, D. J. Inman // In Proceedings of Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Schaumburg, Illinois. 7‒10 April 2008. — 36 p.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Erturk, A. Analytical Modeling of Cantilevered Piezoelectric Energy Harvesters for Transverse and Longitudinal Base Motions / A. Erturk, D. J. Inman // In Proceedings of Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Schaumburg, Illinois. 7‒10 April 2008. — 36 p.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Liao, Y. Model of a Single Mode Energy Harvester and Properties for Optimal Power Generation / Y. Liao, A. H. Sodano // Smart Materials and Structures. — 2008. — Vol. 17. — 065026 (14 Pp).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Liao, Y. Model of a Single Mode Energy Harvester and Properties for Optimal Power Generation / Y. Liao, A. H. Sodano // Smart Materials and Structures. — 2008. — Vol. 17. — 065026 (14 Pp).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Белоконь, А. В. Новые схемы конечно-элементного динамического анализа пьезоэлектрических устройств / А. В. Белоконь, А. В. Наседкин, А. Н. Соловьев // Прикладная математика и механика. — 2002. — Т. 66, № 3. — С. 491‒501.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Белоконь, А. В. Новые схемы конечно-элементного динамического анализа пьезоэлектрических устройств / А. В. Белоконь, А. В. Наседкин, А. Н. Соловьев // Прикладная математика и механика. — 2002. — Т. 66, № 3. — С. 491‒501.</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
