پاسخ الکتریکی تیر پیزوالکتریک با استفاده از روش سختی دینامیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مرکز تحقیقات سنگ، واحد خمینی‌شهر، دانشگاه آزاد اسلامی، خمینی شهر، اصفهان

2 گروه مکانیک، واحد خمینی‌شهر، دانشگاه آزاد اسلامی، خمینی شهر، اصفهان.

چکیده

کاهش توان مصرفی وسایل الکترونیکی و نیاز به استفاده از منابع انرژی قابل حمل موجب شده توجّه پژوهشگران به برداشت انرژی از ارتعاشات محیط جلب شود. ازاین‌رو پیش­بینی خروجی الکتریکی تیرهای پیزوالکتریک و مدل­سازی آنها اهمّیّت ویژه­ای پیدا کرده است. در راستای این تلاش­ها، در این پژوهش روش سختی دینامیکی برای تیر یکسر درگیر با مقطع یکنواخت به همراه جرم متمرکز توسعه داده می­شود ونتایج آن با نتایج حاصل از روش آنالیز مودال تحلیلی مقایسه می­گردد که حل آنالیز مودال با پنج مود بسیار به حل به روش سختی دینامیکی نزدیک است.همچنین ماتریس سختی دینامیکی برای تیر دوبخشی توسعه داده می­شود و به‌وسیلۀ ماتریس به دست آمده تأثیر محل قرارگیری جرم متمرکز بر خروجی الکتریکی و رفتار سیستم بررسی می­گردد. بر این اساس جابجایی جرم متمرکز از پایه به سمت نوک تیر موجب کاهش فرکانس طبیعی اوّل می­شود، درصورتی‌که تأثیر این جابجایی بر فرکانس طبیعی دوم به‌صورت تناوبی است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Electric Response of Piezoelectric Beam Using Dynamic Stiffness Method

نویسندگان [English]

  • Majid Jabbari 1
  • Bijan Ahmadi 2
1 Department of Mechanical Engineering, Stone Research Center, Khomeinishahr Branch, Islamic Azad University, Khomeinishahr/Isfahan, Iran.
2 Department of Mechanical Engineering, Khomeinishahr Branch, Islamic Azad University, Khomeinishahr/Isfahan, Iran .
چکیده [English]

The reduction of electronic devices’s input power and the requirement to portable energy sources have attracted many researchers. Hence, the estimation of electrical output and modeling of piezoelectric beams have became so important. Along this efforts, dynamic stiffness method for a uniform cantilever beam with a tip mass is developed in this research and the result of this method is compared with result of analytical modal analysis method that the differences between dynamic stiffness method and analystical modal analysis method with five mode is very small. Also the dynamic stiffness matrix is developed for a two segmented beam with a tip mass. The effects of the tip mass relocating on electrical outputs and system is explored that the relocating of the tip mass from the base to the tip causes the reduction in first natural frequency of system, although the effects of this relocating on second natural frequency is alternative. Moreover, a place is proposed for the tip mass to harvest the maximum energy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dynamic Stiffness
  • Piezoelectric Beam
  • Energy Harvesting
  • Vibrations
[1] Hamilton MC (2012) Recent advances in energy harvesting technology and techniques.Proceeding ofthe IECON 2012: 6297-6304.
[2] Kim H, Kim JH, Kim J(2011) Review of piezoelectric energy harvesting based on vibration. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing 12(6): 1129-1141.
[3] Buren V, Worn B(2006)Intertialelectromagnetic micro-generators. Ph.D. dissertation ETH 16466, Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, Germany.
[4] Cottone F(2011) Introduction to vibration energy harvesting. NiPS Energy Harvesting Summer Scool.
[5] Roundy S, Wright P, Rabaey J(2003) A Study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes. ComputCommun 26(1): 1131–1144.
[6]Erturk A, Inman DJ(2008) On mechanical modeling of cantileveredpiezoelectric vibration energy harvesters. J. Intell. Mater. Syst. Struct 19(1): 1311-1325.
[7] Alejandro RR, Diana VB, Carlos AR(2013) Free vibrations of beam system structures with elastic boundary conditions and an internal elastic hinge. Chinese Journal of Engineering 89(1): 556–568.
[8] Su H, Banerjee JR(2015) Development of dynamic stiffness method for free vibrationof functionally graded timoshenko beams. Computers and Structures 147(1): 107–116.
[9] Jabbari M,Ghayour M, Mirdamadi HR(2017) Energy harvesting of a multilayer piezoelectric beam in resonance and off-resonance cases. Journal of Engineering Materials and Technology 139(3): 031008.
[10] Ballas R(2007) Piezo electric multilayer beam bending actuators. Springer, Verlag Berlin Heidelberg.
[11] Bonello P, Rafique SJ (2011) Modeling and analysis of piezoelectric energy harvesting beams using the dynamic stiffness and analytical modal analysis methods. ASME J. Vibr. Acoust 133(1): 011009.