نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید چمران اهواز ، اهواز، ایران

2 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید چمران اهواز ، اهواز ، ایران

3 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید چمران اهواز ، اهواز، ایران

چکیده

امروزه استفاده از مبدل پیزوالکتریک به دلیل قابلیت تبدیل انرژی محیطی همچون ارتعاشات مکانیکی به انرژی الکتریکی، کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده است. در یک سازه دارای لایه پیزوالکتریک، علاوه بر خصوصیات پیزوالکتریک، انتخاب خصوصیات بخش غیرپیزوالکتریکی سازه برداشت کننده انرژی نیز از اهمیت بالایی برخوردار است؛ بنابراین در پژوهش حاضر، تولید انرژی الکتریکی از ارتعاشات اجباری تیر کامپوزیتی با لایه پیزوالکتریک مورد بررسی قرارگرفته است. لذا در ابتدا، با استفاده از تئوری تیر اویلر-برنولی، معادلات حرکت سیستم به‌دست‌آمده و سپس با استفاده از روش کانتروویچ، روابط ولتاژ خروجی برای یک تیر کامپوزیتی دارای لایه پیزوالکتریک استخراج می‌گردند. جهت صحتسنجی، نتایج تحلیلی با نتایج حاصل از مدل‌سازی اجزای محدود مقایسه شده‌اند که خطای نسبی کمی را نشان می‌دهند. در ادامه تأثیر زاویه الیاف و نحوه چیدمان لایه‌های تیر کامپوزیتی دارای لایه پیزوالکتریک بر میزان برداشت انرژی بررسی‌شده است. مطابق با نتایج به‌دست‌آمده، با افزایش مدول الاستیسیته تیر کامپوزیتی و تأثیر آن بر نسبت میرایی سازه، میزان برداشت انرژی به مقدار قابل‌توجهی بهبود می‌یابد. همچنین در ادامه اثر ابعاد تیر کامپوزیتی، نسبت ضخامت تیر کامپوزیتی به ضخامت لایه پیزوالکتریک، مقدار جرم متمرکز و نسبت میرایی بر میزان برداشت انرژی بررسی شده است. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که با استفاده از مواد کامپوزیتی و با طراحی مناسب لایه‌چینی و زاویه الیاف در هر لایه، می‌توان مدول الاستیسیته معادل متفاوتی در تیر کامپوزیتی ایجاد نمود که درنتیجه، فرکانس طبیعی سیستم و میزان دامنه ولتاژ خروجی مدار هم ‌تغییر خواهد کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Energy Harvesting from Laminated Composite Beam with a Piezoelectric Layer under Forced Vibrations

نویسندگان [English]

  • Hossein Vahdanifar 1
  • Ali hajnayeb 2
  • Reza Mosalmani 3
  • Afshin Ghanbarzadeh 3

1 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineerring, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran

2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineerring, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran

3 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineerring, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran

چکیده [English]

Nowadays, piezoelectric transducers are widely applied because of their capability to convert environmental energies (e.g. mechanical vibrations) into the electrical energy. In an energy harvester structure, not only piezoelectric characteristics but also properties of the non-piezoelectric part of the energy harvesting structure are highly important. Therefore, in the present research, electrical energy generation from forced vibrations of a composite beam with the piezoelectric layer is considered. For this purpose, firstly, the governing equations of the system are obtained using Euler-Bernoulli beam theory. Then, Kantorovich method was used to calculate the output voltage for a composite beam with the piezoelectric layer. To verify the analytical method, the results were compared to the finite-element modeling results. Furthermore, the effects of fiber orientation angle and layup arrangement in the composite beam with piezoelectric layer on the amount of harvested energy were investigated. According to the obtained results, by increasing the elastic modulus of the composite beam and its effect on the damping ratio of the structure, considerably higher energy is harvested. Then, the effects of composite beam dimensions, the ratio of composite beam thickness to the piezoelectric layer thickness, the concentrated mass, and the damping ratio on the amount of harvested energy were studied. The results show that using the composite materials and by proper design of layup and fiber orientation angle in each layer, it is possible to get different equivalent elastic modulus in the composite beam, and consequently alter natural frequency of the system and output voltage amplitude of the circuit.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Piezoelectric
  • Composite beam
  • Forced Vibration
  • Electromechanical coupling

[1] Kim, H.S. Kim, J.H. Kim, J., “A Review of Piezoelectric Energy Harvesting Based on Vibration,” International Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 12, pp. 1129-1141, 2011.

[2]  Vijaya, M., “Piezoelectric Materials and Devices, ” Applications in Engineering and Medical Sciences, CRC Press, 2012.

[3]  Mason, W.P. Jaffe, H., “ Methods for Measuring Piezoelectric, Elastic, and Dielectric Coefficients of Crystals and Ceramics”, Proceedings of the IRE., Vol. 42, pp.921-930, 1954.

[4]  Umeda, M. Nakamura, K. Ueha, S., “Analysis of the Transformation of Mechanical Impact Energy to Electric Energy using Piezoelectric Vibrator,” Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 35, pp. 32-67, 1996.

[5]  Li, W. Liu, T. Hsiao, C., “A Miniature Generator using Piezoelectric Bender with Elastic Base, ” Mechatronics, Vol. 21, pp. 1183-1189, 2011.

[6]  Xie, X.D.  Wu, N. Yuen, K.V.  Wang, Q., “Energy Harvesting from High-Rise Buildings by a Piezoelectric Coupled Cantilever with a Proof Mass”, International Engineering Science, Vol. 72, pp.98-106, 2013.

[7]  Kumar, A. Sharma, A.  Kumar, R. Vaish, R. Chauhan, D., “Finite Element Analysis of Vibration Energy Harvesting using Lead-Free Piezoelectric Materials”, Asian Ceramic Societies, Vol .2, pp.138-143,2014.

[8]  Yazdi, D.N. Elvin, AH. Andreopoulos, Y.,  “Green׳ s Function Method for Piezoelectric Energy Harvesting Beams”, Sound and Vibration, Vol. 333, pp. 3092-3108, 2014.

[9]  Hosseini, S.M. Kalhori, H. Shooshtari, A. Mahmoodi, S.N., “Analytical Solution for Nonlinear Forced Response of a Viscoelastic Piezoelectric Cantilever Beam Resting on a Nonlinear Elastic Foundation to an External Harmonic Excitation, ” Composites Part B: Engineering, Vol. 67, pp. 464-471, 2014.

[10]         Abdelkefi, A. Nayfeh, A. Hajj, M., “Design of Piezo aeroelastic Energy Harvesters, ” Nonlinear Dynamics, Vol. 68, pp. 519-530, 2012.

[11]         Abdelkefi, A. Nayfeh, A. Hajj, M., “Enhancement of Power Harvesting from Piezo aeroelastic Systems, ” Nonlinear Dynamics, Vol. 68, pp. 531-541, 2012.

[12] Eggborn, T.  “Analytical Models to Predict Power Harvesting with Piezoelectric Materials", Master thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2003.

[13]           Ottman, G. K.  Hofmann, H. F.  Bhatt, A. C.  Lesieutre, G. A. , “Adaptive Piezoelectric Energy Harvesting Circuit for Wireless Remote Power Supply, ” IEEE Transactions on power electronics, Vol. 17, pp. 669-676, 2002.

[14]  Azizi, M. R. Ghazavi, G. Rezazadeh, I. Ahmadian, C., “Tuning the    Primary Resonances of a Micro Resonator, using Piezoelectric Actuation, ” Nonlinear Dynamics, Vol. 76, pp. 839-852, 2014.

[15]         Erturk, A. and D. J. Inman, “A Distributed Parameter  Electromechanical Model for Cantilevered Piezoelectric Energy Harvesters, ” Vibration and Acoustics, Vol. 130, pp. 1435-1450, 2008.

[16]         Erturk, A. and Inman, D.J., “An Experimentally Validated Bimorph Cantilever Model for Piezoelectric Energy Harvesting from Base Excitations”, Smart Materials and Structures, Vol. 18, pp. 2128-2146, 2009.

[17]         Barboni, R. Mannini, A. Fantini, E. Gaudenzi, P. ,“Optimal placement of PZT actuators for the control of beam dynamics, ” Smart Materials and Structures, Vol. 9, pp. 110-119, 2000.

[18]         Roundy, S. and Wright, P. K., “A Piezoelectric Vibration Based  Generator for Wireless Electronics, ” Smart Materials and structures, Vol. 13, pp. 1131-1143, 2004.

[19]          Lu, F. Lee, H. Lim, S., “Modeling and Analysis of Micro Piezoelectric Power Generators for Micro-Electromechanical-Systems Applications, ” Smart Materials and Structures, Vol. 13, pp. 57-69, 2003.

[20]          Mateu , L. and Moll, F., “Optimum Piezoelectric Bending Beam Structures for Energy Harvesting using Shoe Inserts, ” Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 16, pp. 835-845, 2005.

 [21]  Kim, S. H.  Ahn, J. H.  Chung H.M. Kang, H.W., “Analysis of Piezoelectric Effects on Various Loading Conditions for Energy Harvesting in a Bridge System, ” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 167, pp. 468-483, 2011.

[22]          Xing , Y. Liu, B., “New Exact Solutions for Free Vibrations of Thin Orthotropic Rectangular Plates,” Composite Structures, Vol. 89, pp. 567-.578, 2009.

[23] Kaw, A. K., “Mechanics of composite materials”, CRC press, pp.357-367, 2005.