Cymbal压电换能器发电性能的有限元仿真分析.pdf

杌械设计与制造
第5期
Machinery Design Manufacture
2010年5月
文章编号:1001-3997(2010)05-0012-03
Cymbal压电换能器发电性能的有限元仿真分析
刘智单小彪袁江波谢涛
(哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨150001)
The finite element simulation analysis of the performance of cymbal piezoelectric transducer
LIU Zhi, SHAN Xiao-biao, YUAN Jiang-bo, XIE Tao
(School of Mechanical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
【摘要】应用有限元法研究结构李数对gmll換能性能的影响。首先,以压电方程为基础,应用
6有限元理论对 cymbal換能器进行有限元建模,得出有限元动力学方程。然后应用 ANSYS分析了 cymbal
換能器结杓参数对其发电电压和谐振频率的影响。结果表明,为达到更好的发电电压,应该増加 cymbal_
压电胸资的厚度増加金属帽内腔底径。减少金属帽厚度い和内胶顶径,对每个ymbl系统都存
在一个最优的内腔高度d。基振频率随着tn、dl增加而増加,随重。増加而减少。
关键词:压电发电; cymbal換能器;有限元仿真
Abstract I It mainly used finite element method to research the impact of cymbal structural parame-&
ters on the performance of cymbal transducer. First, based on the pie electric equation, the the ry of finite
y element was used to make the model of cymbal transducer, and its dynamic equation was found. Then, AN-
d SYS analysis was applied to research the impact of cymbal structural parameters on its output potage and
d resonant frequency. It came to the conclusion that to get a greater output voltage, the thickness of PZT t 0
y and intra caity botom diameter should be increased, while the thickness of cap tand intra city top
diameter a should be decreased. To every cymbal transducer, there is a best intra caity height d to make
8 the output voltage largest. The resonant frequency increases with the increase of tm,de, while reduces with 0
y the increase of pe
Key words: Piezoelectric energy; Cymbal transducer; Finite element simulation
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中图分类号:TH12,TH16,TC506.1文献标识码:A
1引言
针对 cymbal换能器开展对压电技术进行研究。通过 ANSYS
随着无线传感器和便携式电子设备的应用日益厂泛,以化学有限元方法建立有限元模型,并进行仿真,分析其结构参数对
电池为其主要供能方式存在诸多弊端,如体积大、质量大、供能を imbal换能器输出电压和谐振频率的影响规律。
命有限,需要定期更换,以及由此所带来的材料浪费.环境污染等间2压电材料的有限元数学模型
题不容忽视,尤其对于目前发展迅速的无线网络和嵌入式系统来
将压电材料离散为一个个八节点六面体单元机构组成的结
说,电池供电的这种缺陷更明显。为了解决这一技术难题,基于压构,然后再进行单元分析。为了由节点位移求单元内任“一点的位
电理论的俘能技术可将环境中的振动能转换为电能,从而为上述移,需设定形状函数,由形状函数建立节点位移与单元内任一点
电子产品实现供能。同时压电俘能器具有结构简单、不发热、无电的位移。其位移函数为:
磁干扰、无污染和易于实现机构的微小化、集成化等诸多优点,且
u, =LTI
能满足此类低耗能产品的供能需求而成为目前的研究热点之
.=N7V
以压电陶瓷为换能媒介的压电发电研究正处于开发探索阶式中:L.一任一点的位移
段,它涉及机械、材料、电子等诸多学科,尚有大量的理论和试验
IV}一任一点的电压;
研究需要解决。在压电发电技术这一研究领域,国外的科学家们
z}一节点位移;
尝试了多种压电陶瓷发电的激励方式,现在较成熟是末端带集中
V}ー节点电压
质量块的悬臂梁压电发电系统,它因具有低频能量转换效率高
]一位移形状函数矩阵;
等优点而被广泛的研究,但悬臂梁式压电发电机承载有限,在大
]一电压形状函数矩阵。
的冲击作用下容易断裂。 Cymbal型压电发电机具有低阻抗,大弯
N100…N。00
曲变形,承载能力高等优点,被广泛用于驱动器的设计,作为压电
[Nyr=0,0…0N.0
发电机的研究才刚刚开始。
00M…00N
大来稿日期:2009-07-21