Численное моделирование эксперимента по импульсному воздействию на пьезоэлектрический генератор стекового типа

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 генератор, выходные характеристики, физический эксперимент, конечно-элементный расчет, упрощенная модель, multilayered piezoelectric generator, output characteristics, physical experiment, finite element calculation, simplified model

1. Erturk, A. Piezoelectric energy harvesting / A. Erturk, D. J. Inman. - N. Y. : John Willey and Sons, Ltd., 2011. - 402 p.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Многослойные пьезоэлектрические актуаторы и особенности их применения / В. К. Казаков [и др.] // Компоненты и технологии. - 2007. - № 6. - С. 62-65.

11. Гриценко, А. Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов / А. Гриценко, В. Никифоров, Т. Щеголева // Компоненты и технологии. - 2012. - № 9. - С. 63-68.

12. Морозов, А. Г. Электротехника, электроника и импульсная техника / А. Г. Морозов. - Москва : Высшая школа, 1987. - 448 с.

13. Влияние вида механического нагружения на энергоэффективность пьезоэлектрических генераторов / В. А. Акопьян [и др.] // Нано- и микросистемная техника. - 2015. - № 2. - С. 33-44.

14. 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.