本文關鍵詞：基于謝爾賓斯基三角分形壓電振子的性能研究

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【摘要】：環(huán)境中的振動機械能無處不在,大到汽車發(fā)動機的振動、飛機飛行過程中引起的氣流擾動,小到人體心臟的跳動等,都是典型的受環(huán)境影響較小的振動機械能。目前針對環(huán)境中振動機械能的采集和利用技術逐漸興起,用振動換能器來替代或減少傳統(tǒng)化學電池的使用極具實際意義。但是,傳統(tǒng)的振動換能器都存在采集能量功率密度低、帶寬窄的問題,并且兩者無法兼顧。針對這一技術難題,本論文根據(jù)分形結(jié)構(gòu)的思想,以多變的分形壓電振子代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一形狀壓電振子,利用分形的多樣性拓寬能量采集帶寬。本論文設計了基于謝爾賓斯基三角分形的寬帶壓電振子結(jié)構(gòu)。該壓電振子結(jié)構(gòu)以分形結(jié)構(gòu)為設計思想,以壓電理論和懸臂梁理論為基礎。通過對謝爾賓斯基(Sierpinski)三角分形進行懸臂梁化和有效填充,設計了在三個層次上具有自相似性的分形壓電振子結(jié)構(gòu),保證了材料的利用率以及結(jié)構(gòu)的多樣性。所設計的結(jié)構(gòu)在三個層次上具有自相似性,保證了該分形壓電振子至少存在三個不同大小的諧振頻率,有效地增大壓電能量采集裝置的帶寬,可以更多的采集環(huán)境中不同頻率的振動機械能。并且經(jīng)填充后,每一層次的分形結(jié)構(gòu)數(shù)目都有效增加,能夠增加能量采集密度,提高輸出電壓。本論文通過有限元計算方法對所設計的分形壓電振子的頻率特性和輸出電壓特性進行分析。對每個層次以及整體分形壓電振子的諧振頻率進行計算,同時通過掃頻探究各層次壓電振子應變和輸出電壓隨頻率的變化。通過仿真結(jié)果可知,該壓電振子隨著分形層次的增加,能夠采集的振動頻率范圍變寬,同時能量采集密度增加,輸出電壓變大。本論文選用聚偏二氟乙烯薄膜(PVDF)壓電材料,根據(jù)所設計的分形壓電振子結(jié)構(gòu)實際制作了壓電換能器樣本。通過搭建實驗平臺進行掃頻實驗,得到的頻率響應與預期一致。因此本論文設計的分形壓電振子結(jié)構(gòu)能夠彌補目前振動換能器普遍存在的帶寬窄和采集能量密度低的缺陷。
【關鍵詞】：振動換能器 分形結(jié)構(gòu) 壓電薄膜 懸臂梁 謝爾賓斯基三角
【學位授予單位】：南京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM619
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 第一章 緒論7-17
• 1.1 課題背景及研究意義7
• 1.2 振動能量采集原理及方式7-10
• 1.3 壓電式能量采集技術進展10-15
• 1.4 本文研究內(nèi)容15-17
• 第二章 相關理論基礎17-32
• 2.1 分形理論17-24
• 2.1.1 分形的自相似性19
• 2.1.2 分形的維數(shù)19-23
• 2.1.3 分形的應用23-24
• 2.2 壓電理論基礎24-28
• 2.2.1 壓電效應24-25
• 2.2.2 PVDF壓電材料25-28
• 2.3 懸臂梁理論28-31
• 2.3.1 載荷、應力和應變28-29
• 2.3.2 懸臂梁理論基礎29-31
• 2.4 本章小結(jié)31-32
• 第三章 基于謝爾賓斯基三角的分形壓電振子設計與分析32-42
• 3.1 基于謝爾賓斯基三角的分形壓電振子設計32-37
• 3.1.1 壓電振子基本結(jié)構(gòu)33-34
• 3.1.2 壓電振子實用結(jié)構(gòu)34-37
• 3.2 基于謝爾賓斯基三角的分形壓電振子理論分析37-41
• 3.2.1 頻率特性分析37-38
• 3.2.2 電壓特性分析38-41
• 3.3 本章小結(jié)41-42
• 第四章 壓電振子的有限元分析42-58
• 4.1 基于COMSOL Multiphysics的有限元仿真介紹42-44
• 4.2 壓電懸臂梁基本結(jié)構(gòu)有限元分析44-53
• 4.2.1 分形第一層次有限元分析44-47
• 4.2.2 分形第二層次有限元分析47-50
• 4.2.3 分形第三層次有限元分析50-53
• 4.3 整體分形振動換能器有限元仿真分析53-57
• 4.4 本章小結(jié)57-58
• 第五章 分形壓電振子實驗分析58-63
• 5.1 分形壓電薄膜的加工與封裝58-59
• 5.2 分形壓電振子實驗裝置59-60
• 5.3 分形壓電器件頻率分布60-62
• 5.4 本章小結(jié)62-63
• 第六章 總結(jié)與展望63-64
• 參考文獻64-67
• 附錄1 攻讀碩士學位期間申請的專利67-68
• 致謝68

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中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 曾一致;陶紅艷;劉天寶;余成波;王晟;;復合壓電振子非軸對稱優(yōu)化[J];四川兵工學報;2013年05期

2 周利生;圓柱形壓電振子的多維耦合換能器理論[J];聲學與電子工程;1993年02期

3 任露泉,楊志剛,佟金,曾平;雙彎曲型壓電振子的振動解析[J];壓電與聲光;1998年03期

4 張建輝;路計莊;夏齊霄;王守印;;壓電振子及流體對泵近場噪聲的影響[J];光學精密工程;2006年04期

5 張愛云;何R，

本文編號：693369