本發(fā)明屬于壓電振動(dòng)能量采集，尤其涉及一種適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，隨著集成電路和無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線傳感器設(shè)備的發(fā)展也日趨成熟，在工業(yè)控制、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景，并且已經(jīng)在一些領(lǐng)域使用并發(fā)揮著重要作用。并且隨著工程中低功耗電子技術(shù)和自供能無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，使得振動(dòng)能量收集在工程應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。振動(dòng)能量收集不僅可以將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能為低功耗電子設(shè)備供電，還能減少儀器設(shè)備的有害振動(dòng)。目前常用的振動(dòng)能量收集技術(shù)按照轉(zhuǎn)換原理主要可分為靜電式、電磁式、壓電式、磁致伸縮式以及它們的混合式。其中壓電式振動(dòng)能量收集技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓高、無(wú)需外部電源可實(shí)現(xiàn)自供能需求，已被廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域中。目前應(yīng)用較為廣泛的壓電俘能器使用的壓電片多采用矩形結(jié)構(gòu)，但由于矩形結(jié)構(gòu)在其振動(dòng)模態(tài)時(shí)應(yīng)力分布不均勻，對(duì)于壓電片的利用效率有限。因此需要提高壓電振子壓電片在彎曲振動(dòng)時(shí)等效應(yīng)力分布均勻性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法，能夠優(yōu)化折疊壓電振子壓電層等效應(yīng)力分布，提高壓電片的利用效率。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法，包括：

3、通過(guò)有限元仿真軟件構(gòu)建折疊壓電振子有限元模型；

4、通過(guò)有限元仿真軟件對(duì)所述折疊壓電振子有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析，獲得壓電層等效應(yīng)力數(shù)據(jù)；

5、基于所述壓電層等效應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算獲取壓電層等效應(yīng)力分布均勻程度模型；

6、基于所述壓電層等效應(yīng)力數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，對(duì)折疊壓電振子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得壓電層等效應(yīng)力分布均勻的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

7、進(jìn)一步的，構(gòu)建折疊壓電振子有限元模型的方法包括：

8、構(gòu)建所述折疊壓電振子有限元模型的過(guò)程中壓電片與彈性梁之間采用粘結(jié)方式連接，且所述折疊壓電振子有限元模型結(jié)構(gòu)彎折處進(jìn)行倒圓角處理。

9、進(jìn)一步的，所述折疊壓電振子有限元模型中通過(guò)engineering?data工程數(shù)據(jù)對(duì)材料屬性進(jìn)行控制，壓電材料均沿厚度方向極化。

10、進(jìn)一步的，所述折疊壓電振子有限元模型的折疊彈性基體材料采用304不銹鋼，壓電材料采用鋯鈦酸鉛。

11、進(jìn)一步的，所述壓電材料的剛度系數(shù)矩陣c、壓電應(yīng)力常數(shù)矩陣e和介電常數(shù)矩陣ε表示如下：

12、

13、

14、

15、進(jìn)一步的，對(duì)所述折疊壓電振子有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析的方法包括：

16、基于所述折疊壓電振子有限元模型，選擇分塊蘭索斯法，提取預(yù)設(shè)個(gè)數(shù)模態(tài)；

17、對(duì)提取的模態(tài)進(jìn)行分析，獲得模態(tài)分析結(jié)果。

18、進(jìn)一步的，對(duì)所述折疊壓電振子有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析的方法包括：

19、選取壓電振子一階固有頻率，對(duì)整體施加一階頻率的簡(jiǎn)諧載荷，對(duì)壓電振子進(jìn)行諧響應(yīng)分析，獲得諧響應(yīng)分析結(jié)果。

20、進(jìn)一步的，所述壓電層等效應(yīng)力分布均勻程度模型表示為：

21、

22、其中，rsd為壓電層等效應(yīng)力分布均勻程度模型，s為壓電層等效應(yīng)力數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，為相應(yīng)的壓電層等效應(yīng)力數(shù)據(jù)的平均值，xi為壓電層等效應(yīng)力數(shù)據(jù)集，n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

23、本發(fā)明技術(shù)效果：本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)中采用矩形結(jié)構(gòu)在震動(dòng)模態(tài)時(shí)應(yīng)力分布不均勻，壓電片利用效率有限的問(wèn)題，能夠優(yōu)化折疊壓電振子壓電層等效應(yīng)力分布，提高壓電片的利用效率。

技術(shù)特征：

1.一種適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法，其特征在于，構(gòu)建折疊壓電振子有限元模型的方法包括：

3.如權(quán)利要求1所述的適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法，其特征在于，所述折疊壓電振子有限元模型中通過(guò)engineering?data工程數(shù)據(jù)對(duì)材料屬性進(jìn)行控制，壓電材料均沿厚度方向極化。

4.如權(quán)利要求1所述的適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法，其特征在于，所述折疊壓電振子有限元模型的折疊彈性基體材料采用304不銹鋼，壓電材料采用鋯鈦酸鉛。

5.如權(quán)利要求4所述的適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法，其特征在于，所述壓電材料的剛度系數(shù)矩陣c、壓電應(yīng)力常數(shù)矩陣e和介電常數(shù)矩陣ε表示如下：

6.如權(quán)利要求1所述的適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法，其特征在于，對(duì)所述折疊壓電振子有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析的方法包括：

7.如權(quán)利要求1所述的適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法，其特征在于，對(duì)所述折疊壓電振子有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析的方法包括：

8.如權(quán)利要求1所述的適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法，其特征在于，所述壓電層等效應(yīng)力分布均勻程度模型表示為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于折疊壓電振子壓電層均勻化的優(yōu)化方法，包括：通過(guò)有限元仿真軟件構(gòu)建折疊壓電振子有限元模型；通過(guò)有限元仿真軟件對(duì)所述折疊壓電振子有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析，獲得壓電層等效應(yīng)力數(shù)據(jù)；基于所述壓電層等效應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算獲取壓電層等效應(yīng)力分布均勻程度模型；基于所述壓電層等效應(yīng)力數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，對(duì)折疊壓電振子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得壓電層等效應(yīng)力分布均勻的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本發(fā)明能夠優(yōu)化折疊壓電振子壓電層等效應(yīng)力分布，提高壓電片的利用效率。

技術(shù)研發(fā)人員：龔立嬌,郭旺旺,厲一軍,馬欣欣,李榮榮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：石河子大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23