本發(fā)明涉及一種基于有限元法的壓電能量收集裝置優(yōu)化方法，屬于能量收集的。

背景技術(shù)：

1、在可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略背景下，為物聯(lián)網(wǎng)中大量存在的傳感器供電問題是一個研究重點，在水下海洋環(huán)境這一類場合中，相較于傳統(tǒng)的電池需要定期更換并有可能帶來環(huán)境污染等缺點，自供能傳感器是更好的選擇。壓電式傳感器就是典型的自供能傳感器，其工作原理是基于壓電材料的正壓電效應，因外部機械振動導致壓電材料內(nèi)部產(chǎn)生應力，進而轉(zhuǎn)化為電信號輸出。與其他形式的發(fā)電方式相比，壓電發(fā)電具有能量密度大、無電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)小型化等優(yōu)點，并且壓電能量收集裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、清潔環(huán)保等優(yōu)點，因此得到了眾多學者的廣泛關(guān)注。

2、壓電能量收集裝置本體結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響其輸出電壓值、能量收集效率和轉(zhuǎn)換效率的重要因素，因此，為了提高裝置的輸出特性和能源利用率，優(yōu)化裝置的本體結(jié)構(gòu)參數(shù)設計至關(guān)重要。在收集到外部環(huán)境的振動，將材料內(nèi)部產(chǎn)生的應力轉(zhuǎn)化為電能之后，壓電換能器輸出的電壓信號為交流電壓信號，無法直接向需要直流電源的傳感器節(jié)點供電，需要給壓電能量收集裝置連接可以把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的接口電路。所以，除了壓電能量收集裝置本體結(jié)構(gòu)參數(shù)，外部接口電路的設計也會對能量轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生比較大的影響。因此本發(fā)明利用有限元法，結(jié)合阻抗匹配原則，提出了一種基于有限元法的壓電能量收集裝置優(yōu)化方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對能量收集裝置的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和外電路設計的優(yōu)化，可以有效提高壓電換能器裝置的輸出電壓，提高裝置的能量收集效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上不足，提供一種基于有限元法的壓電能量收集裝置優(yōu)化方法。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于有限元法的壓電能量收集裝置優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、s1：建立有限元模型；

4、s2：瞬態(tài)分析，提取輸出電壓；

5、s3：判斷是否達到結(jié)束條件，若滿足結(jié)束條件則終止運算并輸出最優(yōu)結(jié)果和參數(shù)設置，否則執(zhí)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化外電路參數(shù)操作，之后返回步驟s2，繼續(xù)循環(huán)操作。

6、優(yōu)選地，步驟s1中，所述壓電能量收集裝置的有限元模型的建立步驟如下：

7、a-1：根據(jù)壓電能量收集裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立鈍體繞流有限元模型，并設置外電路參數(shù)；

8、a-2：根據(jù)固體力學確定固定約束，并根據(jù)流體力學設置壁和出入口；

9、a-3：設置模型各部分的材料屬性并進行網(wǎng)格劃分。

10、優(yōu)選地，步驟s3中，所述結(jié)束條件為預先設定的電壓值vp，比較步驟s2中提取的輸出電壓與預先設定的電壓值vp，若提取的輸出電壓大于等于vp，則滿足結(jié)束條件。

11、優(yōu)選地，步驟s3中，所述優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)包括確定最優(yōu)鈍體弧度θ、最優(yōu)鈍體半徑r、壓電片到鈍體的最優(yōu)距離l等。

12、優(yōu)選地，步驟s3中，所述優(yōu)化外電路參數(shù)是指根據(jù)阻抗匹配原則，確定外電路電阻的阻值r。

13、有益技術(shù)效果：

14、本發(fā)明公開了一種基于有限元法的壓電能量收集裝置優(yōu)化方法，首先利用有限元分析中的壓電效應模塊根據(jù)壓電能量收集裝置的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)建立鈍體繞流有限元模型，根據(jù)固體力學確定固定約束，并根據(jù)流體力學設置壁和出入口后對模型做瞬態(tài)分析，計算得到壓電懸臂梁上的輸出電壓，之后根據(jù)壓電懸臂梁上的輸出電壓確定鈍體繞流模型本體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后根據(jù)阻抗匹配原則，確定外電路電阻的阻值，完成能量收集電路的設計。本發(fā)明可以有效提高壓電換能器裝置的輸出電壓，提高能量收集和轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)特征：

1.一種基于有限元建模的壓電能量收集裝置優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有限元建模的壓電能量收集裝置的優(yōu)化方法，其特征在于，步驟s1中，所述壓電能量收集裝置的有限元模型的建立步驟如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有限元建模的壓電能量收集裝置優(yōu)化方法，其特征在于，步驟s3中，所述的結(jié)束條件為預先設定的電壓值vp，比較步驟s2中提取的輸出電壓與預先設定的電壓值vp，若提取的輸出電壓大于等于vp，則滿足結(jié)束條件。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有限元建模的壓電能量收集裝置優(yōu)化方法，其特征在于，步驟s3中，所述的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)包括確定最優(yōu)鈍體弧度θ、最優(yōu)鈍體半徑r、壓電片到鈍體的最優(yōu)距離，等。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有限元建模的壓電能量收集裝置優(yōu)化方法，其特征在于，步驟s3中，所述的優(yōu)化外電路參數(shù)是指根據(jù)阻抗匹配原則，確定最優(yōu)外電路阻值r。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于有限元法的壓電能量收集裝置優(yōu)化方法，首先利用有限元分析中的壓電效應模塊建立鈍體繞流模型，根據(jù)固體力學確定固定約束，并根據(jù)流體力學設置壁和出入口后對模型做瞬態(tài)分析，計算得到壓電懸臂梁上的輸出電壓，之后根據(jù)壓電懸臂梁上的輸出電壓確定鈍體繞流模型本體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后根據(jù)阻抗匹配原則，確定外電路電阻的阻值，完成能量收集電路的設計。本發(fā)明可以在通過建模仿真計算的情況下，利用有限元方法得到壓電能量收集裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并實現(xiàn)外部能量收集電路的阻抗匹配，可以有效提高壓電換能器裝置的輸出電壓，提高能量收集效率。

技術(shù)研發(fā)人員：董曉霄,夏博,楊銳,黃肖肖,袁越
受保護的技術(shù)使用者：河海大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9