donstuAdvanced Engineering Research (Rostov-on-Don)Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)2687-1653Don State Technical University10.12737/18132donstu-54Research ArticleMECHANICSМЕХАНИКАNumerical simulation of the experiment on pulsed excitation of stack type piezoelectric generatorЧисленное моделирование эксперимента по импульсному воздействию на пьезоэлектрический генератор стекового типаСоловьевАркадий НиколаевичSolovyevArkady N.solovievarc@gmail.comЛеВан ЗыонгLeVan Duongnoemail@neicon.ruАкопьянВладимир АкоповичAkopyanVladimir A.noemail@neicon.ruРожковЕвгений ВасильевичRozhkovEvgeny V.noemail@neicon.ruЧебаненкоВалерий АлександровичChebanenkoValery A.vchebanenko@sfedu.ruДонской государственный технический университет; Южный федеральный университет, ИММ и КН им. И. И. Воровича; Южный научный центр РАНРоссияDon State Technical University; Southern Federal University, Research Institute for Mechanics and Applied Mathematics after I.I. Vorovich; Southern Scientific Center of RASRussian FederationДонской государственный технический университетРоссияDon State Technical UniversityRussian FederationЮжный федеральный университет, ИММ и КН им. И. И. ВоровичаРоссияSouthern Federal University, Research Institute for Mechanics and Applied Mathematics after I.I. VorovichRussian Federation2016300320161611926Copyright © Solovyev A.N., Le V.D., Akopyan V.A., Rozhkov E.V., Chebanenko V.A., 20162016Соловьев А.Н., Ле В.З., Акопьян В.А., Рожков Е.В., Чебаненко В.А.Solovyev A.N., Le V.D., Akopyan V.A., Rozhkov E.V., Chebanenko V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-donstu.ru/jour/article/view/54

The numerical modeling results of the full-scale experiment with low-frequency pulse excitation of the stack-type piezoelectric generator (PEG) for the energy storage device are described. PEG is a multilayer axisymmetric piezoceramic package. The dependence of the output voltage on the active load rate under the harmonic and non-stationary mechanical action of the PEG is studied. A finite element device model is developed in ANSYS , and a simplified one-dimensional analytical model is analyzed. The experimental results-to-numerical calculation correlation has shown their good convergence which allows using the analyzed numerical models to optimize the PEG design at the given external action frequency and active resistance value of the external electric circuit. In addition, it is found that the frequency dependence of the output voltage of the axial-type PEG is of a complex nature depending both on the compressive pulse loading level and the piezoelectric modulus value of the PEG sensitive element, and on the electrical load resistance.

Описаны результаты численного моделирования натурного эксперимента низкочастотного импульсного воздействия на пьезоэлектрический генератор (ПЭГ) стекового типа для устройства накопления энергии. ПЭГ представляет собой многослойный осесимметричный пьезокерамический пакет. Разработана конечно-элементная модель устройства в ANSYS и проанализирована аналитическая упрощенная одномерная модель. Исследована зависимость выходного напряжения от величины активной нагрузки при гармоническом и нестационарном механическом воздействии на ПЭГ. Сопоставление экспериментальных результатов и численного расчета показало их хорошую сходимость, что позволяет использовать разработанные численные модели для оптимизации конструкции ПЭГ при заданных частоте внешнего воздействия и величине активного сопротивления внешней электрической цепи. Кроме того, установлено, что частотная зависимость выходного напряжения ПЭГ осевого типа имеет сложный характер, зависящий как от уровня сжимающей импульсной нагрузки и величины пьезомодуля материала чувствительного элемента ПЭГ, так и от электрического сопротивления нагрузки.

многослойный пьезоэлектрический генераторвыходные характеристикифизический экспериментконечно-элементный расчетупрощенная модельmultilayered piezoelectric generatoroutput characteristicsphysical experimentfinite element calculationsimplified modelReferencesErturk, A. Piezoelectric energy harvesting / A. Erturk, D. J. Inman. - N. Y. : John Willey and Sons, Ltd., 2011. - 402 p.Erturk, A., Inman, D.J. Piezoelectric energy harvesting. N. Y.: John Willey and Sons, Ltd., 2011, 402 p.Anton, S. R. Multifunctional Piezoelectric Energy Harvesting Concepts. PhD diss. to Virginia Polytechnic Institute and State University / S. R. Anton. - Blacksburg : Virginia, 2011. - 215 p.Anton, S. R. Multifunctional Piezoelectric Energy Harvesting Concepts. PhD diss. to Virginia Polytechnic Institute and State University. Blacksburg: Virginia, 201, 215 p.Головнин, В. А.Сравнительные характеристики пьезокерамических механоэлектрических преобразователей для генерации электричества / В. А. Головнин [и др.] // Вестник Твер. гос. ун-та. Серия «Физика». - 2010. - № 11. - С. 33-46.Golovin, V.A., et al. Sravnitel'nye kharakteristiki p'yezokeramicheskikh mekhanoelektricheskikh preobrazovateley dlya generatsii elektrichestva. [Comparative characteristics of piezoceramic mechanoelectric transducers for generation of electricity.] Vestnik Tverskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya “Fizika”, 2010, no. 11, pp. 33–46 (in Russian).DuToit, N. E. Design considerations for MEMS-scale piezoelectric mechanical vibration energy harvesters / N. E. DuToit, B. L. Wardle, S. G. Kim // Integrated Ferroelectrics. - 2005. - V. 71. - №. 1. - Pp. 121-160.DuToit, N.E., Wardle, B.L., Kim S.G. Design considerations for MEMS-scale piezoelectric mechanical vibration energy harvesters. Integrated Ferroelectrics, 2005, vol. 71, no. 1, pp. 121–160.DuToit, N. E. Experimental verification of models for microfabricated piezoelectric vibration energy harvesters / N. E. DuToit, B. L. Wardle // AIAA journal. - 2007. - V. 45. - №. 5. - Pp. 1126-1137.DuToit, N. E., Wardle, B.L. Experimental verification of models for microfabricated piezoelectric vibration energy harvesters. AIAA journal, 2007, vol. 45, no. 5, pp. 1126–1137.Adhikari, S. Piezoelectric energy harvesting from broadband random vibrations / S. Adhikari, M. I. Friswell, D. J Inman // Smart Materials and Structures. - 2009. V. 18. - №. 11. - P. 115005.Adhikari, S., Friswell, M.I., Inman, D.J. Piezoelectric energy harvesting from broadband random vibrations. Smart Materials and Structures, 2009, vol. 18, no. 11, pp. 115005.Roundy, S. A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics / S. Roundy, P. K. Wright // Smart Materials and Structures. - 2004. - V. 13. - №. 5. - P. 1131.Roundy, S., Wright, P. K. A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics. Smart Materials and Structures, 2004, vol. 13, no. 5, pp. 1131.Зыонг, Ле В. Конечно-элементный анализ применимости прикладных теорий расчета пьезоэлектрического устройства накопления энергии стековой конфигурации / Ле В. Зыонг // Инженерный вестник Дона. - 2014. - № 2. - C. 1-13.Duong, Le V. Konechno-elementnyy analiz primenimosti prikladnykh teoriy rascheta p'yezoelektricheskogo ustroystva nakopleniya energii stekovoy konfiguratsii. [Finite element analysis of the applicability of the applied theories of calculation of piezoelectric device of energy storage of stack configuration.] Engineering Journal of Don, 2014, no. 2, pp. 1–13 (in Russian).Анализ стабильности электрофизических характеристик пьезокерамик различных составов, используемых для пьезоэлектрических генераторов кантилеверного типа повышенной мощности / В. А. Акопьян [и др.] // Нано- и микросистемная техника. - 2012. - № 1. - C. 37-41.Akopyan, V.A., et al. Analiz stabil'nosti elektrofizicheskikh kharakteristik p'yezokeramik razlichnykh sostavov, ispol'zuemykh dlya p'yezoelektricheskikh generatorov kantilevernogo tipa povyshennoy moshchnosti. [Analysis of the Electro- Physical Characteristics Piezoceramics Different Composition Used for High Power Piezoelectric Generators.] Journal of Nano and Microsystem Technique, 2012, no. 1, pp. 37–41 (in Russian).Многослойные пьезоэлектрические актуаторы и особенности их применения / В. К. Казаков [и др.] // Компоненты и технологии. - 2007. - № 6. - С. 62-65.Kazakov, V.K., et al. Mnogosloynye p'yezoelektricheskie aktuatory i osobennosti ikh primeneniya. [Multilayer piezoelectric actuators and features of their application.] Components and Technologies, 2007, no. 6, pp. 62–65 (in Russian).Гриценко, А. Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов / А. Гриценко, В. Никифоров, Т. Щеголева // Компоненты и технологии. - 2012. - № 9. - С. 63-68.Gritsenko, А., Nikiforov, V., Shchegoleva, T. Sostoyanie i perspektivy razvitiya p'yezoelektricheskikh generatorov. [State and prospects of piezoelectric generators.] Components and Technologies, 2012, no. 9, pp. 63–68 (in Russian).Морозов, А. Г. Электротехника, электроника и импульсная техника / А. Г. Морозов. - Москва : Высшая школа, 1987. - 448 с.Morozov, А.G. Elektrotekhnika, elektronika i impul'snaya tekhnika. [Electrotechnics, Electronics and pulse Engineering.] Moscow: Vysshaya shkola, 1987, 448 p. (in Russian).Влияние вида механического нагружения на энергоэффективность пьезоэлектрических генераторов / В. А. Акопьян [и др.] // Нано- и микросистемная техника. - 2015. - № 2. - С. 33-44.Akopyan, V.A., et al. Vliyanie vida mekhanicheskogo nagruzheniya na energoeffektivnost' p'yezoelektricheskikh generatorov. [Influence of the type of mechanical loading on the energy efficiency of the piezoelectric generators.] Journal of Nano and Microsystem Technique, 2015, no. 2, pp.С. 33–44 (in Russian).Zhao, S. Deterministic and band-limited stochastic energy harvesting from uniaxial excitation of a multilayer piezoelectric stack / S. Zhao, A. Erturk // Sensors and Actuators A : Physical. - 2014. - V. 214. - Pp. 58-65.Zhao, S., Erturk, A. Deterministic and band-limited stochastic energy harvesting from uniaxial excitation of a multilayer piezoelectric stack. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, vol. 214, pp. 58–65.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.