振动能量收集系统的研究——结构设计

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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计振动能量收集系统的研究结构设计振动能量收集系统的研究结构设计摘 要随着科技产品的大量涌现，无线设备成为了新型的生活必需品，其供电问题成为影响其应用范围的重要问题。在此背景下，压电振动能量收集装置以其易加工和结构上小型化、集成化等优点，可作为一种长期的自主供电系统。其中压电式能量收集器作为现阶段主要研究的方向，其在一些不便于电池表现很差的环境中有广阔的发展空间。但是，这种振动能量收集器的输出功率偏低，在实际工作生活中的局限性很大。为提升收集器的输出功率，扩大实际的应用范围，本文主要对压电振动能量收集系统的结构进行设计。 首先，对振动能量收集结构所用的材

2、料进行筛选，选择PZT-5的压电陶瓷。在此之后，通过对实验所涉及的各种压电片以及基板进行计算机建模和分析，得到最为合乎求的最佳选型，并且针对该模型所选结果进行优化设计。最后，为了验证实验设计的适用性，对纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构进行了COMSOL建模和仿真分析。关键词：压电陶瓷；压电悬臂梁；有限元分析；结构设计Research on Vibration Energy Collection systemStructural designAbstractWith the emergence of a large number of technological products, wirele

3、ss devices have become a new type of daily necessities, and their power supply issues have become an important issue affecting their scope of application. Under this background, the piezoelectric vibration energy collection device can be used as a long-term autonomous power supply system due to its

4、advantages of easy processing, miniaturization and integration in structure. Among them, the piezoelectric energy harvester is the main research direction at this stage, and it has a broad development space in some environments where it is not convenient for the battery to perform poorly. However, t

5、he output power of this vibration energy collector is relatively low, which has great limitations in actual working life. In order to improve the output power of the collector and expand the practical application range, this paper mainly designs the structure of the piezoelectric vibration energy co

6、llection system.First, the materials used in the vibration energy harvesting structure are screened to select the PZT-5 piezoelectric ceramic.After this, through the computer modeling and analysis of the various piezoelectric sheets and substrates involved in the experiment, the most desirable and b

7、est selection is obtained, and the optimal design is carried out for the selected results of the model.Finally, in order to verify the applicability of the experimental design, COMSOL modeling and simulation analysis of the vibration energy collection structure of the button-shaped piezoelectric can

8、tilever beam were carried out.Keywords: Piezoelectric ceramics；Piezoelectric cantilever beam；COMSOL finite element analysis；Structural design目 录摘要Abstract目录第一章 绪论11.1 研究背景与意义11.2 国内外研究现状21.3 论文主要研究内容2第二章 压电材料 32.1 发展历史32.2 压电材料基本性能参数32.3 压电陶瓷分类.3第三章 不同形状单层压电陶瓷能量收集结构43.1 COMSOL Multiphysics软件介绍33.2 不

9、同形状单层压电陶瓷能量收集结构.63.3 不同形状基板悬臂梁式能量收集结构193.4 基于矩形结构的压电能量收集结构的尺寸优化293.5 本章小结36第四章 纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构 37 4.1 引言37 4.2 纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构37 4.3 本章小结41第五章 总结与展望42 5.1 总结42 5.2 展望42参考文献43致谢441绪论1.1研究背景与意义近几年以来，随着信息化时代的发展，无线传感技术正逐渐进入迅猛发展的阶段。社会的进步推动了各行各业的蓬勃发展，人们的需求也日益增加。就一些新兴的设备而言，国外的技术水平仍处于领先地位。国内也诞生了一大部分的行业机构，

10、加紧对于新设备、新技术的研发工作。但是，时至今日仍然存在大量的技术难题，国外的技术垄断也限制了我们的发展脚步。社会的发展正在步入大数据时代，而在某些行业中大数据时代的到来在带给我们发展机遇的同时也给与了我们非常大的挑战。在实际工作中，有的设备因为难以完成实时处理而逐渐淘汰，而大运算量的机械设备往往是大功耗的，如果没有持续的可供电电源，他就会难以继续正常稳定的运作。并且这一切也会伴随着传输距离的加大而变得更加困难。因为网络时代数据处理越来越讲求时效性，实时高效的数据处理会使得我们的企业在激烈的竞争中占得先机。因此数据的传输速率、数据的处理速率以及数据的发布速率都是整个行业运行中至关重要的组成部分

11、。然而在许多的欠发达地区，各种设施不怎么完善，受到各种自然环境或者社会环境的影响，大数据的普及率仍然十分欠缺。由于各种外在因素的制约，我们对于无线设备的供电要求也变得越来越迫切，比如在无法获取安全可靠的电源的情况之下，设备自身的续航水平就决定了其在该范围内的适用水平。但是，高续航都是由技术革新来实现的，如今我们的科技水平虽说取得了长足的进步，但是依然与许多的技术性难题尚未解决，这些原因制约着我们的产品发展。因此，如何科学地解决这些面临的困境便成为了我们当前所急需处理的难点。设备的续航主要依靠两个部分，即外接的电源与自身所携带的电源。但是不同的无线设备需要不同的电源作为能亮来源。原装的电池虽说性

12、能比较稳定，但是价格却是十分的昂贵。同时能耗的问题也是未得到有效的解决，产品性能也层次不齐，如果可以更好地解决这一问题，那将会对该行业领域的发展提供极大的推动力。新技术与新产品的出现将会带来巨大的社会效益。市场的需求激励着整个社会开始重视这一领域。与其引进收到限制的技术，不如通过自身的创新能力，大力支持行业发展，培养一批相关方面的技术人才，依次为基础推动新技术的创新。在已有条件的基础之上，通过理论创新与科技创新，为新产品的研发提供源源不断的物质与人才基础，如此才可以使得创新水平得以提升、社会的发展离不开技术的不断创新，在节约成本的理念之下，人们开始研究各种自然环境下的能量收集技术，作为电池的替

13、代品。这一项工作不仅会带来技术上的新进展，而且会带来比较可观的现实利益，在此背景之下，没有后顾之忧的振动能量收集系统就成为了一个相对来说比较可靠而且经济的选择。1使振动能量收集系统为无线传感提供供电方案的新思路，具有十分重要的现实意义与理论研究的意义。1.2国内外研究现状 为了解决使电池持续性地为无线电子设备供应电能这一问题，国内外的研究人员都进行了相关方面的研究工作。新技术和新产品的研发都需要投入巨大的人力与物力。除此之外还要有合理的规划和措施，来为技术突破铺平道路。首先要考虑的是如何将能量从其他形式转化为设备可以利用的电信号，其次是要取材方便而且设计简单并容易实现，相关的研究工作将主要围绕

14、这一主题而展开。目前关于这方面的研究也非常的多，其中包括德州大学阿灵顿分校研发出一种改进的能量采集器，该能量采集器可以在一定的振动频率和固定的加速度的激励下，得到高额的能量密度。国内外的研究机构还通过技术革新来利用新型材料来研发出复合材料制成的振动能量采集器，振幅得到了巨大的提升，几乎是其他设备的一倍还要多，输出能量更是夸张，达到了数倍以上。4 1.3论文主要研究内容本文主要选用不同形状的压电片和基板。运用COMSOL进行建模和有限元分析。本文研究内容如下：第一章主要介绍振动能量收集器的研究背景与意义，国内外的研究现状，从压电能量收集系统的结构上，结合收集器件的性能展示对研究现状与发展进行阐述

15、。第二章：介绍了本文研究对象所针对的材料，并对其进行分析。第三章首先对COMSOL Multiphysics进行介绍，然后进行深入的理论研究与分析，主要为圆形形、矩形和正方形的基板和压电片，并且对压电片与基板的相对位置进行分析。第四章着重介绍本文所涉及的能量收集装置，基于压电式振动能量俘获以及悬臂梁结构，设计的纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构，并对结构进行仿真分析。 第五章总结论文的全部工作和主要贡献，指出仍然存在的问题。2压电材料2.1发展历史1880年，字居里兄弟第一次发现电气石的压电效应以来，并于次年，他们通过各种实验分析，经过大量的数据对比发现逆压电效应，与此同时也验证了关于石英的正逆

16、压电常数。1945年前后，各国均独立发现了钛酸钡压电陶瓷的高介电常数。1946年，美国MIT的研究人员通过一系列的科学论证以及理论研究，终于研制出了世界上第一个压电陶瓷。次年美国科学家通过实验探索获得了压电性。1954年后，以美国为代表的世界科技强国纷纷开展了对压电陶瓷的研究，期间获得了十分巨大的科技突破，为整个领域的发展做出了极大的贡献。2.2压电陶瓷基本性能参数压电陶瓷自身的性能参数是提高振动能量收集系统的性能及其发电量的重要物质基础，对于能量收集系统有着十分关键的决定因素，它包含有多个不同的指标，只有当这些众多的参数完全合乎设备的整体要求，整个系统本身来说才是比较完备的，因此非常重要。介

17、电常数反应的是压电材料的介电性质，也是一项十分重要的指标参数，在后期的实验设计以及仿真分析中依然不可忽视；介电损耗常数是指电介质在交变电场中损耗电能而产生的热量的现象所对应的数值，也与一些具体的参数相关，同样十分重要；机电耦合常数表征机械能与电能之间转换的程度，与压电元件的能量转换密度和压电元件储存能量的能力有关。2.3压电陶瓷的分类压电陶瓷发展至今，有许多的适应各种环境要求的种类，在实际应用中，我们需要选择最合适的压电陶瓷片的类型，以追求最佳的实验效果。其中，大致有钛酸钡BaTiO3和锆钛酸钡PZT这两种。钛酸钡BaTiO3压电陶瓷常用于超声波仪器中，诸如铁路上用于测量火车通过时的压力，医用

18、脉搏记录仪，水底探测器等。锆钛酸钡PZT的压电性能十分良好，适合各种环境下工作的需求。而PZT-5H又以高耦合系数，高压电应变常数，和优异的稳定性受到广泛的应用。3不同形状单层压电陶瓷能量收集结构本章先对COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台进行简介，然后针对不同形状的压电片和基板，运用控制变量法，进行分别研究。3.1COMSOL Multiphysics软件介绍COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台。对于多物理场，简单就是包含多种物理化学现象，在研究很多交叉学科问题的时候，都涉及到多物理场，例如电磁热就是、焦耳热等现象就是电阻通电后产生热量，包含了电场，传热，

19、产生的热量会使电阻发生热膨胀，这样就会涉及到结构力学，所以就是一个多物理场的问题。当用COMSOL Multiphysics创建了一个多物理场仿真模型之后，如果想保存以方便之后的重复使用或者是分给其他的研究人员使用时，不可能让每个人都去学习COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台，对此，COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台提供一个App开发器。运用App开发器我们可以进行二次开发，将已构建的模型封装成为一个App界面，只需要在COMSOL Multiphysics的工作界面，点击App开发器按钮，就可以进入App开发，并且开发非常简便，如图3.1只需拖动已选择的

20、输入/输出、图形和按钮，并测试，就可以完成App开发。此外在运行App时，也不是只能用COMSOL Multiphysics进行打开操作，App制作时也可以上传到COMSOL Server，通过COMSOL Server进行打开，非常方便。当然也可以运用COMSOL Compiler把App转变为.exe文件，可以随意拷贝直接打开。（a）工作界面（b）App开发界图3.1 App开发COMSOL Multiphysics在研究多物理方面有很多模块，如图3.2包括结构力学、声学、电化学、传热、光学、半导体、流体流动和数学等，在每个物理场下又有很多的研究方向。对于本文所研究的振动能量收集系统，主要

21、选用结构力学中的固体力学和压电器件两部分，在选择完物理场之后，软件会自动将多物理场耦合，显示耦合后的工作现象，本文的多物理场耦合后为压电效应。图3.2 物理场选择在COMSOL Multiphysics软件中，在建模上，可以将CAD的三维和二维图直接导入COMSOL Multiphysics，也可以在COMSOL Multiphysics中直接进行绘制，绘制的操作也非常简单，易懂，其包括三维或二维模型的绘制、模型材料的选择、施加边界约束、设置单元类型、网格剖分。在建模之后进行研究时，也可以选择多种研究，主要有预应力分析、稳态分析、瞬态分析、特征频率分析、螺栓预紧力和线性屈曲等，并且，软件会人性

22、化的给出所选多物理场的预设研究，帮助研究人员进行工作。3.2不同形状压电片悬臂梁式能量收集结构本章对于各种压电片和基板的悬臂梁结构下的发电行为进行有限元分析，提出改进措施，而且对于压电片尺寸进行合理改动。3.2.1不同形状压电片悬臂梁设计本文针对三种形状的压电片进行设计主要为圆形、矩形和正方形。压电陶瓷选用PZT-5H，基板采用铜（Copper），长宽高分别用L、W、H表示，单位统一为毫米。基板尺寸为LWH=60200.5，压电片厚度均为0.5，不同形状有相同（基本相同）的面积，其余尺寸如下：矩形：L=25，W=10；圆形：半径R=6.31，取3.14；正方形：边长A=11.8；模型图如图3.

23、3中（a）（b）（c）分别为矩形压电片式、圆形压电片式和正方形式压电片。（a）矩形（b）圆形（c）正方形图3.33.2.2不同形状压电片有限元仿真3.2.2.1静力学分析为确保压电陶瓷正常工作，则在该过程中最大应力不得大于其许用应力。对悬臂梁左侧进行固定处理，在其自由端使用F=0.4N的力，对三种不同形状下的压电片进行分析。观察图3.4（a）（b），可得结论：矩形压电片最大应力在压电片远离基板根部的一侧，为1.81MPa，压电片可以进行正常工作。可产生最大电压约为3.2V。观察图3.4（c）（d），可得结论：圆形压电片最大应力产生在圆形的靠近基板两侧边缘，为441Pa，压电片可以进行正常工作。

24、可产生最大电压约为7.26V。观察图3.4（e）（f），可得结论：正方形压电片最大应力产生在压电片靠近基板根部的一侧，为4.33103Pa，压电片可以进行正常工作。可产生最大电压约为6.69V。（a）矩形应力图（b）矩形电压图（c）圆形应力图（d）圆形电压图（e）正方形应力图（f）正方形电压图图3.4综上，在确保压电陶瓷正常稳定工作的前提下，圆形压电片悬臂梁式能量收集器输出电压最高，收益最高，正方形次之，矩形最低。但是由应力图可知，圆形和正方形的压电片的应力较为集中，与矩形压电片结构相比较，不适合作为压电片形状，所以，选择矩形压电片，安全系数高，且寿命长。3.2.2.2模态分析模态分析是一种处

25、理过程，是根据结构的固有特性等动力学属性去描述结构的一个过程，它既可以确定结构的振动特性，也可以得到振子的自然频率、振型等参数。模态分析的步骤主要有：建立模型、加载求解和结果处理。图3.5、图3.6和图3.7分别为矩形压电片、圆形压电片和正方形压电片三种不同的形状，在悬臂梁结构下的前4阶振型。（a）矩形一阶振动模态（b）矩形二阶振动模态（c）矩形三阶振动模态（d）矩形四阶振动模态图3.5（a）圆形一阶振动模态（b）圆形二阶振动模态（c）圆形三阶振动模态（d）圆形四阶振动模态图3.6（a）正方形一阶振动模态（b）正方形二阶振动模态（c）正方形三阶振动模态（d）正方形四阶振动模态图3.7由上图可见

26、矩形、圆形和正方形三种形状的前四阶模态固有频率如下表：表3.1模态一阶二阶三阶四阶矩形压电片110.29Hz542.51Hz689.85Hz1678.3Hz圆形压电片0.097696Hz0.51713Hz0.56574Hz1.4175Hz正方形压电片0.097102Hz0.51713Hz0.57292Hz1.4194Hz对于矩形压电片而言：一阶振型是向下弯曲的形状；二阶振型向下弯曲的程度加大；三阶振型是向一侧扭曲的形状；四阶振型是呈波浪形。对于圆形压电片而言：一阶振型是向下弯曲的形状；二阶振型向下弯曲程度较一阶加大；三阶振型是向一侧扭曲的形状且扭曲程度较矩形压电片的三阶更大；四阶振型呈波浪形，

27、较矩形压电片的四阶振型弯曲程度更大。对于正方形压电片而言：一阶振型是向下弯曲的形状；二阶振型向下弯曲较一阶振型更大；三阶振型是向一侧扭曲的形状；四阶振型呈波浪的形状。由于在实际生活应用中，结构通常呈一阶振型的工作形式，所以此处主要分析一阶振型由表3.1 可以看出，在只关注一阶固有频率的情况下，矩形压电片的一阶固有频率最大，圆形压电片次之，正方形压电片最低。3.3 不同形状基板悬臂梁式能量收集器3.3.1不同形状基板的设计本文设计三种形状基板，如图3.8，压电片材料为PZT-5H，其具体尺寸和形状与3.1中相同。长宽高用LWH，圆形半径为R,正方形边长为A，基板厚度统一是0.5。单位为mm，具体

28、尺寸如下：矩形： L=60，W=20；圆形： R=27.5；正方形： A=60。（a）矩形（b）三角形（c）梯形图3.83.3.2不同形状基板有限元仿真3.3.2.1静力学分析悬臂梁的一侧做固定处理，对另一侧施加F=0.5N的力，对三种不同形状基板进行静力学分析。根据图3.8（a）（c）（e），正方形基板的应力最大，而矩形基板最小。且矩形基板应力集中在压电片根部，且均匀分布；正方形基板应力虽然大，但是过于集中，对结构的载荷过大，易造成元件损；圆形基板虽然应力大，但是最终用于发电的部分应力很小，不宜作为实用结构。观察图3.9（b），可得结论：矩形基板产生电压为3.2V；观察图3.9（d），可得结

29、论：圆形基板产生电压为5.78V；观察图3.9（e），可得结论：正方形基板产生电压为10.9V。综上，在外部条件大致相同的情况下，正方形基板的应变和产生电压最大。在基于对可持续性使用的考虑，牺牲掉一部分的性能，从而使使用周期变长。所以矩形基板结构的悬臂梁更适合制作压电能量系统。（a）矩形应力图（b）矩形电压图（c）圆形应力图（d）圆形电压图（e）正方形应力图（f）正方形电压图图3.9 不同形状基板3.3.2.2模态分析如图3.10和图3.11所示，依旧只研究一阶模态分析图谱，矩形基板的模态分析图谱如3.5所示，下列为圆形基板和正方形基板的模态分析图谱。（a）圆形一阶振型（b）圆形二阶振型（c）

30、圆形三阶振型（d）圆形四阶振型图3.10（a）正方形一阶振型（b）正方形二阶振型（c）正方形三阶振型（d）正方形四阶振型图3.11表3.2模态一阶二阶三阶四阶矩形基板110.29542.51689.851678.3圆形基板75.644208.8445.86800.01正方形基板0.0899460.205260.503720.64714对于矩形基板而言：一阶振型是向下弯曲的形状；二阶振型向下弯曲的程度加大；三阶振型是向一侧扭曲的形状；四阶振型是呈波浪形。对于圆形基板而言：一阶振型是向下弯曲的形状；二阶振型左右两侧向上弯曲；三阶振型两侧向上弯曲程度加大；四阶振型呈扭曲的趋势。对于正方形基板而言：一

31、阶振型是向下弯曲的形状；二阶振型左右两侧呈扭曲趋势；三阶振型两侧呈向上且向内的弯曲状，自由端向下弯曲；四阶振型两侧向上弯曲，自由端也向上弯曲，但程度较两侧弯曲的较小。由于在实际生活应用中，结构通常呈一阶振型的工作形式，所以此处主要分析一阶振型由表3.2 可以看出，在只关注一阶固有频率的情况下，矩形基板的一阶固有频率最大，圆形基板次之，正方形基板最低。在实际生活中大多频率在200Hz左右，所以矩形基板的应用场所较圆形和正方形更多，实用性较高。3.4基于矩形结构的压电能量收集器的尺寸优化根据3.1和3.2的COMSOL建模分析表明，矩形压电片和矩形基板为比较理想的模型，为进一步提升输出性能，本文将

32、针对矩形压电片和矩形基板条件下的悬臂梁结构的尺寸进行优化，主要从压电片的长度、宽度、高度和基板的长度、宽度、高度以及压电片与基板的相对位置等方面进行优化。3.4.1压电片尺寸的优化在进行对压电片尺寸优化时，此处取基板尺寸为60200.5，单位是mm。对压电片尺寸的优化分为压电片长度、宽度、和厚度三个方面进行，运用控制变量法。3.4.1.1压电片的长度压电片W和厚度设计成100.5，单位是mm，在添加固定外力或者固定位移的情况下，计算出压电片长度对输出电压的影响，可得如图：图3.12由图3.12可知，施加外力和位移的输出电压图像有所不同，对于施加外力而言，输出电压随均随压电片长度的增加先变大后变

33、小，由于当压电片长度为10时，压电片为正方形，所以不考虑此处的输出，除此之外，用比例来表示的话，压电片与基板长度比例大约在0.3和0.5时达到最大值；对于施加位移而言，压电片与基板长度比例在0.5时，输出电压达到最大值3.4.1.2压电片的宽度由3.3.1.2的结论，选择压电片与基板的长度比为0.5，则压电片L和厚度设计成300.5，单位是mm，在添加固定外力或者固定位移的情况下，计算压电片宽度对输出电压的影响，可得如图：图3.13由图3.13可知，施加外力亦或是位移输出电压均随压电片宽度的增加而减小。故为使压电振动能量收集系统有较好的电压输出特性，在其余条件相同的情况下，应尽量选用宽度窄的压

34、电片。3.4.1.3压电片的厚度由3.3.1.1和3.3.1.2得出的结论，设计压电片长度与基板长度的比例为0.5，压电片的宽度选择尽可能小的，则压电片长度L和宽度W选择306，单位是mm，在添加固定外力或者固定位移的情况下，计算压电片厚度对输出电压的影响，可得如图：图3.14由图3.14可知，施加外力亦或是位移输出电压均随压电片厚度的增加而变大。且在施加位移的情况下，增长幅度要比施加外力大，所以在条件允许的情况下，其他条件相同，压电片厚度应尽量增厚。3.4.2基板尺寸优化上述进行了对压电片长宽高三个尺寸的优化，接下来对基板的长宽高进行优化。在进行对基板尺寸优化时，根据前面的结论，此处取压电片

35、尺寸为3060.5，单位是mm，对基板尺寸的优化也分为基板长度、宽度、和厚度三个方面进行，运用控制变量法。3.4.2.1基板的长度首先对基板的长度进行优化，控制基板的宽度和厚度不变，则基板宽度W和厚度H选择300.5，单位是mm，在悬臂梁右端施加F=0.5N的力，在悬臂梁右端施加0.2mm位移，分析基板长度对输出电压的影响，可得如图：图3.15由图3.15可知，施加的外部干扰不同，输出特性趋势亦有所不同。对于外部因素是外力时，基板的长度越长输出电压越大，反之，越小；对于外部因素是位移时，基板长度越长输出电压越低。 3.4.2.2基板的宽度在进行基板长度的优化之后，进行对基板宽度的优化，根据之前

36、的结论，则基板长度L和厚度H选择600.5，单位是mm，在悬臂梁右端施加F=0.5N的力和0.2mm位移，分析基板宽度对输出电压的影响，可得如图：图3.16由图3.16可知，施加的外部干扰不同，输出特性趋势亦有所不同。对于外部因素是外力时，基板的宽度越宽其输出电压先变大后变小，且在图中的20mm处取得最大值，按照比列显示为压电片宽度/基板宽度约为0.3；对于外部因素是位移时，基板宽度越宽其输出电压越大。 3.4.2.3基板的厚度在研究完基板的长度和宽度之后，接下来研究基板的厚度，根据之前的结论，基板长度L和宽度W选择6020，单位是mm，在悬臂梁右端施加F=0.5N的力，在悬臂梁右端施加0.2

37、mm位移，分析基板厚度对输出电压的影响，可得如图：图3.17由图3.17可知，施加的外部干扰不同，输出特性趋势亦有所不同。对于外部因素是外力时，基板的厚度越厚输出电压越小；对于外部因素是位移时，基板厚越厚输出电压越大。 3.4.3压电片位置的优化在对压电片长宽高（LWH）与基板的长宽高（LWH）等尺寸进行有限元分析优化之后，压电片和基板的大小选择就有个依据，进而对于压电片该处于基板的何种位置，又产生了新的问题，所以本文接下来将对压电片与基板的相对位置的不同对输出电压的影响进行分析。根据上述的研究，较为优良的模型应是：压电片长度与基板长度比为0.4左右；压电片宽度越窄越好；压电片厚度越厚越好；基

38、板长度越小越好；对于基板，压电片宽度与基板的宽度比值为0.3左右；基板的厚度越薄越好。所以在研究压电片与基板的相对位置时，选择压电片长宽高（LWH）尺寸为：L=16，W=6,H=0.6,单位是mm。基板的长宽高（LWH）尺寸为：L=40,W=20,H=0.6,单位是mm。在这次研究中，用控制变量法，定量是压电片和基板的尺寸，变量是压电片距离基板根部的长度。如图3.18，可以直观的看出，压电片与基板根部的距离越长，输出电压越低，所以越靠近基板的固定端，其振动能量收集效率越高。图3.183.5本章小结本章结论具体如下：（1）矩形压电片的输出电压高。（2）对于一阶共振频率而言，基板为梯形的输出电压最

39、高，矩形次之。 （3）对于矩形压电片而言，施加外力时和位移，压电片的长度和厚度增加都会使输出电压先增后减；压电片宽度越小输出电压越高；并且当厚度越厚越好。对于矩形基板而言，施加外力时，基板长度越长输出电压越高，施加位移时基板越短越好；对于外部因素是外力时，基板的宽度越宽其输出电压先变大后变小，对于外部因素是位移时，基板宽度越宽其输出电压越大，并且当压电片宽度与基板宽度比为0.3时，得到比较理想的模型。厚度对于外部因素是外力时，基板的厚度越厚输出电压越小；对于外部因素是位移时，基板厚越厚输出电压越大。（4）除此之外，在其余条件相同时，压电片越靠近基板根部，输出电压越大。4纽扣状便电悬臂梁振动能量

40、收集结构4.1引言近年来，国家一直在倡导环保，低碳出行，越来越多的人在出行方式上选择步行、公交和地铁等，也有很大一部分人更倾向于骑自行车，市面上的自行车千篇一律没有特点，这在年轻人中颇受诟病，有一些年轻人就会选择在自己的自行车上添加灯光等装饰，让其更加富有个性。自行车上装灯饰的时候，可用面积很小，所以通常的电池型供电的灯饰就显得有些臃肿，所以，本人联想到可以利用振动能量收集系统，在结构上设计一个可供自行车灯饰使用的小型供能装置，很大限度的解决自行车灯饰的供电问题。4.2纽扣状压电式悬臂梁振动能量收集结构4.2.1结构设计基于压电式振动能量俘获以及悬臂梁结构，本人做出以下设计，如图4.1（a）（

41、b），（a）为外观图，类似于纽扣，外表美观且不易产生违和感，（b）为透视图，其中结构简单，易加工，适用性强。纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构的压电振子部分，基板材料选用铜(Copper)，基板尺寸长宽高（LWH）为L=36,W=15,H=0.6，单位mm；压电片的材料选择压电陶瓷分类下的PZT-5H，压电片的尺寸长宽高(LWH)为L=14.4,W=6,H=0.6，单位是mm。（a）整体图（b）透视图图4.1压电片部分的截面图如图4.2（a）为压电振子平面的整体俯视截面图，展示了各压电振子的分布，图4.2（b）为整体正视截面图，展现了在竖直方向上各结构部分的分布。图4.2（b）是针对单一压电振子

42、的截面放大图，更直观。设计时压电振子的基板部分与圆柱形外壳有1mm的重合，增加固定，稳定性；压电片与圆柱形外壳的内壁有2mm的距离，虽然压电片越靠近基板根部其输出效率越高，但是基于安全性的考虑，以防在特殊情况下压电振子弯曲过大时，压电片与圆柱形外壳的内壁碰撞，导致结构损坏，还是选择留有一定的间隙。（a）整体俯视截面图（b）整体侧视截面图（c）局部截面图图4.24.2.2仿真分析4.2.2.1静力学分析由于该结构用于自行车的灯饰供电，所以在静力学部分压电片自由端的压力遵循实际生活选择，在日常生活中自行车骑行速度一般为16KM/h，在此没有考虑自行车爱好者的追求极限速度，因为实际应用不大，受众较少

43、，所以按照16KM/h来计算压力，通过计算可知作用在结构体上的压力约为F=2N，基于此，进行静力学分析。（a）结构应力图（b）结构在的应变图(c)结构的电压图图4.3观察图4.3（a）可知，在该结构下，压电振子上最大应力为20.9MPa，位于压电片靠近基板根部一侧，低于许用应力的阈值60MPa，可以正常工作。观察图4.3（b）可知，在该结构下，压电振子的应变最大为0.14mm，位于压电振子的自由端，属于正常工作范畴，不影响工作。观察图4.3（c）可知，在该结构下，压电振子的最大电压是17.5V，位于压电片靠近根部的两侧，完全足够供给自行车灯饰的电压。4.3本章小结本章主要介绍了基于压电式振动能

44、量俘获以及悬臂梁结构，做出的一个纽扣式的小型振动能量收集结构。具体结论为：对于纽扣状便携压电悬臂梁振动能量收集结构而言。静力学分析结果：最大应力位于压电片靠近根部基板一侧，为20.9MPa，在结构允许范围内可正常工作；最大应变位于压电振子自由端，为0.14mm，在结构允许范围内可正常工作；最大电压位于压电片靠近根部两侧，为17.5V，数值够大，足以提供自行车灯饰的需求电压。5总结与展望5.1 总结本文主要从压电材料介绍、不同形状的单层压电陶瓷能量收集器和多层矩形压电陶瓷能量收集器三个方面进行阐述，对现有的研究结果进行部分优化。具体总结如下：（1）本文对压电材料主要介绍压电陶瓷这一种材料，并从发

45、展历史、基本性能参数、压电陶瓷分类、等3个方面进行介绍。（2）对于不同形状的单层压电陶瓷能量收集器，本文从压电片的长宽厚和基板的常宽厚以及压电片和基板的相对位置等多方面进行建模和分析，结论是应采用矩形基板和矩形压电片。（3）对于纽扣状便携压电悬臂梁振动能量收集结构而言。静力学分析结果：最大应力位于压电片靠近根部基板一侧，为20.9MPa，在结构允许范围内可正常工作；最大应变位于压电振子自由端，为0.14mm，在结构允许范围内可正常工作；最大电压位于压电片靠近根部两侧，为17.5V，数值够大，足以提供自行车灯饰的需求电压。总之，本文从有限元仿真的角度对不同结构的压电能量收集系统进行研究，并得到了

46、一些的结论，为后续的压电振动能量收集系统做铺垫。5.2 展望本文虽然对各种结构的发电能力进行了分析，取得了一定的成果。但与实际应用仍有较大的差距，还有更多的问题需要进一步研究：（1）目前多采用PZT为压电材料，这种材料具有易碎和铅污染的缺点，不能用于某些特定的场合，因此更加绿色的新型材料的研究就显得尤为重要。（2）悬臂梁式结构虽然有诸多优点，但是本文并没有实现其的最佳性能，仍需进一步的研究。（3）对于本文所设计的纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构，仍有较大的改进空间，可以设计的更小型；可以添加更多压电振子；可以设计一种电路，使电路和该结构耦合之后，在不同速度下灯光颜色、深浅不同，可以增加灯饰的个

47、性化。参考文献1夏奥 孙勇智. 压电能量收集系统及其应用研究J. 海峡科技与产业, 2016(12):3-3.2张倩昀 梁国凯 梁朝芳. 一种基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器设计J. 通信电源技术, 2018(6):3-3.3王思艳. 板料成形接触应力及其压电测定方法研究J. 中国优秀硕士学位论文全文数据库, 2016(02):76-76.4严伏明 文香莲 袁菊芳 赵妍霞 王生军. 高分子压电材料压电常数d_33的测定J. 工程塑料应用, 1985(03):60-63.5刘祥建 陈仁文. 压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势J. 振动与冲击, 2012(16):174-181.6阎瑾瑜. 压电效应及其在材料方面的应用J. 数字技术与应用, 2011(01):102-103.7贾杨 刘子菡 刘涛 向薇. 压电扬声器的技术发展及相关专利申请J. 电声技术, 2014(01):43-46.8叶会英 马秀兰 刘国栋 浦昭邦. 低Qm 压电振子机电耦合系数的标准计算方法的原理误差分析J. 计量学报, 2000(01):8-14.9王宇 李继春. 物联网技术在智能港口中的应用前景J. 集装箱化, 2010(12):34-36.45