材料和尺寸参数对Rainbow型压电换能器发电能力的影响

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1、、第43卷第2期2011年4月南京航JournalofNanjing空航University天大学ofAeronautics学报＆AstronauticsV01．43NO．2Apr．2011材料和尺寸参数对Rainbow型压电换能器发电能力的影响刘祥建陈仁文(南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室，南京，210016)摘要：给出了一种多方向振动能量收集装置的设计结构。为研究Rainbow型压电挟能器材料、尺寸参数对其发电能力的影响，根据压电材料的机电耦合方程和对换能器的力学理论分析，建立了Rainbow型压电换能器

2、开路电压与输出电能的数学模型。对开路电压模型进行了仿真验证，仿真结果与理论分析一致。对输出电能理论模型的数值模拟分析表明，金属基片的宽度与厚度、换能结构初始曲率半径的增大将会引起换能结构两片压电薄膜输出电能的降低；金属基片长度、压电薄膜宽度的增大将会引起两片压电薄膜输出电能的增加；压电薄膜长度、厚度的增大将会使得两片压电薄膜输出电能先增加后减小；铍青铜基片换能器要优于钢基片换能器；换能器弧形内侧压电薄膜的输出电能都要大于外侧压电薄膜。最后，结合Rainbow型压电换能器的力学分析给出了分析结果的合理解释。关键词：多方向振动能

3、量收集；压电挟能器；尺寸参数；电能中图分类号：TM31；TN384文献标识码：A文章编号：1005—2615(2011)02—0198—07InfluenceofMaterialsandShapeParametersonElectricityGenerationbyRainbowShapePiezoelectricTransducerLiuXiangjian，ChenRenwen(TheAeronauticalKeyLaboratoryforSmartMaterialsandStructures，NaniingUnivers

4、ityofAeronautics&Astronautics，Nanjing，210016，China)Abstract：Aimingatobtainingmulti—directionvibrationenergy，adesignstructureisdeveloped．Accord—ingtobasicequationsofpiezoelectricmaterialsandmechanicalanalysisoftheRainbowshapepiezoelec—trictransducer，theopencircuitvo

5、ltageandoutputelectricenergymodelsofthetransducerareestab—lished．Therelationshipbetweentheelectricitygenerationandthematerials，shapeparametersofthetransducerisalsostudied．Thefiniteelementanalysisofthetransducerisperformedtovalidatetheopencircuitvoltagemodel．Theresu

6、ltsshowthatthesimulationresultsareconsistentwiththetheoryre—suits．Moreover，thenumericalresultsshowthattheoutputelectricenergyofthepiezoelectricfilmsde—creasesasthewidthandthethicknessofthemetalsubstrateandtheinitialcurvatureradiusofthetrans—ducerincrease．Theoutpute

7、lectricenergyofthepiezoelectricfilmsincreasesasthelengthofthemetalsubstrateandthewidthofthepiezoelectricfilmincrease．Theoutputelectricenergyofthepiezoelectricfilmshasamaximumasthelengthandthethicknessofthepiezoelectricfilmsincrease．Theberylliumbronzesubstratetransd

8、ucerissuperiortothesteelsubstratetransducerandtheoutputelectricenergyoftheinsidepiezoelectricfilmsislargerthanthatoftheoutsidepiezoelectricfilms．