压电振动能量收集器仿真-COMSOL实验报告1

实验：压电振动能量收集器仿真
一．实验目的
1.利用COMSOL仿真压电振动能量收集器，观察电势分布以及应力分布；
2.通过频率分析得出共振频率，并分析在此频率附近的负载电阻、加速度变化导致的装置能量、动量、储能变化。

二．实验原理
微型发电机组和无线发电系统的发展引起了人们对低功率电子技术的极大兴趣。

通常，这些设备用于为传感器和无线通信系统供电，从而使独立的“无线传感器”能够廉价部署。

通常，无线传感器在较长的时间内间歇性地进行测量，通过无线链路向其他传感器报告，并最终向基站报告，该基站记录所有部署传感器的读数（创建“无线传感器网络”）。

这个模型分析了一个简单的“地震”能量采集器，它被设计成从发生的局部加速度变化中产生电能。

例如，当无线传感器安装在振动机械上时。

该模型分析的能量采集器由压电双晶片组成，压电双晶片一端固定在振动机械上，另一端安装有验证质量。

下图显示了设备的几何结构。

动力收割机由一个压电双晶片组成，压电双晶片一端夹紧，另一端安装验证质量。

双晶片内嵌入一个接地电极（与梁的中性面一致），悬臂梁的外表面上有两个电极。

这种结构确保了外部电极上感应到相同的电压，即使中性层上下的应力符号相反。

由于夹具安装在一个振动机械上，所以在振动参考系中对装置进行分析（在COMSOL中，通过施加正弦体载荷进行建模）。

三．实验主要步骤或操作要点
1.选择模型
因为压电振动能量收集器可以看作在一个平面上，所以选择二维模型。

绘制模型：利用简单的几何模型、画线、倒角、取并集操作绘制二维平面图形。

2.参数、材料、电场仿真设置
2.1设置全局参数
2.2材料选择
这里选择了两种材料：1. Lead Zirconate Titanate (PZT-5A)。

2. Structural steel
2.3场条件设置
本实验选择了固体力学中的压电场，还有一外界电路：
2.3.1固体力学设置
在材料阻尼方面，进行了线弹性材料的阻尼设置以及压电材料的机械阻尼设置：
添加了体载荷设置以及固定约束：
2.32静电场设置
进行了零电荷的边界选择以及初始电势为0的域选择：电荷守恒的域选择：
最后为了与外电路相连接，设置了电路的接地与终端：
2.3.3电路设置
添加了负载电阻以及设置了终端：
2.3.4网格设置
考虑到计算机的运算时间以及网格的密度，选择自由三角形网格：
四．实验数据
1.频域研究：扫描范围为62到80Hz，无辅助扫描。

应力分布：
电势分布：
参数曲线分布：
观察可见各参数（总动能、总电压、总电能、总储能）随着频率增加先增大后减小，在71Hz处达到最大，可得该模型共振频率为71Hz。

2.频域研究：扫描频率值为70.5Hz，辅助扫描加速度，扫描设置为range(0.25,0.25,2)。

应力分布：
电势分布：
参数曲线分布：
观察可见在加速度为0到2的范围内，各参数（总动能、总电压、总电能、总储能）随加速度增加逐渐增大。

3.3频域研究，扫描频率值为70.5Hz，辅助扫描负载电阻，扫描设置为10^range(2,0.25,5)。

应力分布：
电势分布：
参数曲线分布：
观察可见在负载电阻为0到10^5范围内，随着电阻增加，总动能、总储能逐渐减小趋于0，总电压组建增加趋于6V、总电能以及总动能（速度计算）先增大后减小。

六．实验结论及现象分析
通过仿真分析，我们可以得出电势分布、应力分布以及各参数（总动能、
总电压、总电能、总储能）随频率、加速度、负载电阻的变化关系，从
而在实际中可以根据外界环境调整压电振动能量收集器的工作状态，并
且探测一些变化，比如可以分析“地震”能量。