Конечно-элементное моделирование пьезоэлектрических устройств накопления энергии с усложненными физико-механическими свойствами

• Автор: Ле Ван Зыонг
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 214 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1: КОНТИНУАЛЬНЫЕ ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧ ЭЛЕКТРОУПРУГОСТИ
1.1. Конфигурация и моделирование пьезоэлектрического устройства накопления энергии
1.2. Континуальные и конечно-элементные модели пьезоэлектрических устройств
1.3. Модели рассматриваемых пьезоэлектрических генераторов
ГЛАВА 2: ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТИПА
2.1. Описание устройства и задачи исследования
2.2. Анализ применимости прикладных теорий расчета ПЭГ стековой конфигурации
2.3. Оптимизация конструкции в зависимости от частоты вынужденных колебаний
2.4. Модель ПЭГ в рамках плоской задачи
2.5. Анализ результатов расчетов ПЭГ из пористой пьезокерамики

2.6. Упрощенная модель учета инерционной массы
2.7. Экспериментальное и конечно-элементное исследование ПЭГ стековой
I конфигурации
2.8. Выводы
ГЛАВА 3: ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ В ФОРМЕ КРУГЛОЙ ПЛАСТИНЫ
3.1. ПЭГ с пьезоэлементами в форме диска
3.2. ПЭГ с пьезоэлементами в форме колец
3.2.1. Конечно-элементное моделирование
3.2.2. Оптимизация конструкции на основе серии численных расчетов
3.2.2.1. Модель с кинематическим возбуждением колебаний
3.2.2.2. Сравнительный анализ двух моделей - первая и третья модель.
3.2.2.3. Колебания на частоте значительно меньшей частоты первого резонанса

3.3. Эффективность работы ПЭГ на первой резонансной частоте в низкочастотной области / = 1 Гц
3.4. Модель ПЭГ взаимодействующего с акустической средой
3.5. Сравнения результатов расчетов с данными экспериментальными
3.6. Температурная зависимость эффективности устройства накопление энергии на основе релаксора ртп-0,33р!
3.6.1. Модель устройства накопления энергии
3.6.2. Результаты конечноэлементного моделирования
3.7. Выводы
ГЛАВА 4: ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ОСНОВЕ КАНТИЛЕВЕРА
4.1. ПЭГ на основе кантилевера в форме биморфа
4.1.1. Конечно-элементное моделирование
4.1.2. Результаты численных расчетов
4.1.2.1. Модель ПЭГ при отсутствии инерционной массы
4.1.2.2. Модель с инерционной массой равна 5 г
4.1.2.3. Значения инерционной массы М изменяются в пределах 0 15 г и толщина подложки к равна 1,2 мм, длина подложки 1 равна 110 мм
4.1.2.4. Значения выходного потенциала на верхнем свободном электроде при колебаниях на нерезонансной частоте 10 Гц
4.2. Результаты расчетов и эксперимент
4.3. Сравнение характеристик ПЭГ кантилеверного типа, работающих на сдвиговой и изгибной модах
4.3.1. Анализ выходного электрического потенциала
4.3.2. Анализ выходной мощности
4.4. Выводы
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение
Актуальность темы. Ограниченность мировых запасов сырья для удовлетворения всё возрастающих потребностей человечества в электрической энергии вызывает озабоченность у широкого круга ученых и инженеров. Человек начал учиться использовать энергию солнечного излучения, движения воды в реках, ветра, приливных волн и др. в качестве самовозобновляемых источников энергии.
Такие источники являются мощными, практически неисчерпаемыми, но у них есть недостаток: они периодичны во времени или стационарны в пространстве (ветер не дует постоянно, солнечного света нет ночью, геотермальная энергия доступна там, где существует вулканическая деятельность).
Например, экологически безопасные ветряные электростанции могут найти применение далеко не везде: для этого требуются местности, где постоянно дуют достаточно сильные ветры, преимущественно одного направления.
Другим экологически чистым источником самовозобновляемой энергии являются батареи из солнечного света, ветра и др.
Отмеченные выше источники возобновляемой энергии обеспечивают получение большого количества энергии и будут применяться и дальше, несмотря на вышеперечисленные негативные факторы. Такую энергию необходимо накапливать и транспортировать, и есть места, в которых произведенная таким образом электрическая энергия недоступна.
Требования мобильности и энергонезависимости все чаще выступают на первый план в создании сенсорных и измерительных систем. Кроме того, существует область малой энергетики, где мощности потребляемой энергии невелики: малогабаритная бытовая техника, телефоны сотовой связи, беспроводные сенсорные системы для наблюдения и диагностики технического состояния различных объектов и многое другое. Предлагаются самые разнообразные решения этой актуальной проблемы. Приоритет для источников питания мобильных телефонов и ноутбуков отдается литий-ионным малогабаритным аккумуляторам. Однако ресурс всех этих типов источников, как правило, ограничен.

где Су — компоненты тензора четвертого ранга упругих модулей; е1} — компоненты тензора пьезомодулей третьего ранга; г? - компоненты тензора деформаций;
Таким образом уравнения состояния (1.1) - (1.4) описывают прямой и обратный пьезоэффект. Для формулировки краевых задач линейной теории элект-роупругости к ним добавляются уравнения движения и уравнения электростатики.
1.2. Континуальные и конечно-элементные модели
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Развитие численных методов решения краевых задач и, в особенности, МКЭ [16] позволило решать задачи для конструкций произвольных размеров. Одним из мировых лидеров среди программ МКЭ общего назначения является коммерческие КЭ комплексы ЛЫБУБ и АСЕЬАМ. В частности, с использованием ЛЫБУЯ и АСЕЬАЫ можно моделировать работу реальных пьезоэлектрических устройств [159-160]. Программы АЫЯУЗ и АСЕЬА1Ч, реализующие МКЭ для громадного числа задач сплошных сред с полями различной физической природы, позволяет учитывать и пьезоэффект, т.е. связность электрических и механических полей в теле. Кроме того, программа содержит мощные инструменты визуализации различных полей в объеме устройств и, в частности, визуализации колебаний устройства во времени. Эти инструменты чрезвычайно полезны инженеру при конструировании устройств [3, 11]. Достаточно подробный анализ возможностей и ограничений АЫБУБ и АСЕЬАЫ в этой области дан в работе [5]. Хотя А^УБ и не является специализированной для пьезоэлектрических тел программой, его возможности удовлетворяют многим практическим приложениям. Поэтому программы АМБУБ и АСЕЬАХГ на протяжении последних лет с успехом используется на практике для высокоточного моделирования пьезоэлектрических устройств.