Конечно-элементное моделирование пьезоэлектрического устройства накопления энергии на основе кантеливера

Аннотация

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.