本文關(guān)鍵詞：基于PVDF能量收集器的仿真及制備，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《清華大學(xué)》 2015年

基于PVDF能量收集器的仿真及制備

趙冠興  

【摘要】：隨著物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備的發(fā)展,人們開始從周圍環(huán)境中提取能源,為其提供電能。在各種形式的能量收集器中,振動(dòng)能量由于其存在廣泛,能量密度高并且易于收集而受到廣泛關(guān)注,本文關(guān)注的是壓電能量收集器,采用壓電材料把機(jī)械形變直接轉(zhuǎn)化為電能。傳統(tǒng)的壓電能量收集器往往采用壓電陶瓷作為功能材料,并且制備了性能優(yōu)良的器件,然而陶瓷材料存在一些固有的缺點(diǎn),如韌性差,彈性模量大,環(huán)境污染等。理論計(jì)算顯示聚偏二氟乙烯(PVDF)如果應(yīng)用在壓電能量收集器中,在共振模式下和壓電陶瓷處于同一水平,而非共振模式下將超過壓電陶瓷,同壓電單晶處于同一水平。然而目前的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果至少比理論值低兩個(gè)數(shù)量級(jí),本文致力于應(yīng)用PVDF制備高輸出功率的懸臂梁壓電能量收集器。基于前人的模擬方法,本文首先采用部分耦合分析解模型對(duì)PVDF能量收集器進(jìn)行建模,從壓電方程開始入手,最終把器件的平均輸出功率表征為振動(dòng)源振幅、頻率和負(fù)載的函數(shù)。之后采用了一個(gè)更加精確的模型—有限元耦合電路計(jì)算模型(CPC-FEM),通過對(duì)有限元軟件和電路計(jì)算軟件聯(lián)用,對(duì)PVDF懸臂梁能量收集器進(jìn)行完全耦合分析,著重關(guān)注了器件形狀參數(shù),外界振動(dòng)源以及負(fù)載對(duì)器件性能和PVDF內(nèi)部最大應(yīng)力的影響,對(duì)這些影響趨勢進(jìn)行歸類和分析后,發(fā)現(xiàn)限制器件輸出功率的源于外界振動(dòng)的頻率和PVDF的最大許用應(yīng)力,與振動(dòng)加速度和外形參數(shù)無關(guān),因此在給定振動(dòng)激勵(lì)和材料最大應(yīng)力限制下,存在一系列最優(yōu)的T/L2,可以通過器件優(yōu)化提高功率輸出水平,并且這個(gè)優(yōu)化過程本質(zhì)上是在提高PVDF懸臂梁的最大內(nèi)應(yīng)力�；谶@一分析思路,我們對(duì)比了兩個(gè)PVDF器件,原型器件的尺寸為5.2mm×20mm×3.1mm,優(yōu)化后的器件尺寸為7.3mm×20mm×6.1mm,器件共振頻率分別為82.7Hz和34.4Hz,二者分別在共振頻率和對(duì)應(yīng)的最佳負(fù)載下進(jìn)行測試,保證振動(dòng)加速度激勵(lì)均為5m/s2,如果將振動(dòng)激勵(lì)增加到10m/s2,器件輸出功率可達(dá)259.9μW。測試可得二者輸出功率分別為6.0μW和112.8μW,優(yōu)化后的器件性能明顯提升,對(duì)比文獻(xiàn)中[45-52]的PVDF能量收集器,器件輸出功率同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先。本文分別對(duì)這個(gè)器件采用分析解模型和CPC-FEM模型建模,并對(duì)比模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)CPC-FEM模擬結(jié)果最為精確,但二者均與實(shí)際結(jié)果相差不大,這也從另一個(gè)方面證明了模型的有效性。最后對(duì)全文工作進(jìn)行了總結(jié),并對(duì)下一步的工作進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK019;TB34
【目錄】：

摘要3-4

Abstract4-8

主要符號(hào)對(duì)照表8-9

第1章 緒論9-16

1.1 研究背景9-10

1.2 研究現(xiàn)狀10-14

1.2.1 壓電材料10-12

1.2.2 器件工作模式12-13

1.2.3 器件結(jié)構(gòu)13-14

1.3 本文主要研究內(nèi)容14-16

第2章 壓電能量收集器的理論研究16-25

2.1 基礎(chǔ)理論16-18

2.2 壓電懸臂梁的振動(dòng)模型18-25

第3章 壓電懸臂梁的有限元仿真分析25-44

3.1 引言25-26

3.2 有限元建模26-30

3.2.1 器件構(gòu)型和外電路連接方式27-28

3.2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定28-29

3.2.3 材料阻尼設(shè)置29-30

3.3 模擬結(jié)果分析30-40

3.3.1 力學(xué)分析30-31

3.3.2 模態(tài)分析31

3.3.3 頻率響應(yīng)分析31-33

3.3.4 電信號(hào)和機(jī)械振動(dòng)相位差33

3.3.5 懸臂梁尺寸對(duì)器件性能的影響33-37

3.3.6 質(zhì)量塊對(duì)器件性能的影響37-38

3.3.7 振動(dòng)加速度激勵(lì)對(duì)器件性能的影響38-39

3.3.8 附加電容對(duì)器件性能的影響39-40

3.3.9 多層結(jié)構(gòu)對(duì)性能的改善40

3.4 器件優(yōu)化設(shè)計(jì)40-43

3.5 本章小結(jié)43-44

第4章 壓電振動(dòng)能量收集器的測試44-56

4.1 概述44-45

4.2 器件制備工藝45-46

4.3 測試設(shè)備和測試方法46-48

4.4 測試結(jié)果48-54

4.5 小結(jié)54-56

第5章 總結(jié)與展望56-58

5.1 總結(jié)56-57

5.2 展望57-58

參考文獻(xiàn)58-62

致謝62-64

個(gè)人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果64

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本文編號(hào)：204390