基于力电耦合材料振动能量捕获研究-机械电子工程专业论文.docxVIP

杭州电子科技大学硕士学位论文 明ljPIlltlml 基于力电藕合材料振动能量捕获研究 研究生z 用昌企 指导教师:王林翔 教授 冯长水博士 2010 年 12 月 Dissertation Submitted to Hangzbou Dianzi Uni、rersity for tbe Degree of Master Research on Vibration Energy Capturing ?ased 00 MechanicalElectrical Coupling Materials Candidate: Zhou Changquan Supervisor: Prof. Wang Linxiang Dr. Feng Changshui December ，2010 杭州电子科技大学硕士学位论文 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 本文以推进铁电材料与结构的应用，研究分布式能量捕获方法和原理为目的:以压电悬 臂梁和铁电悬臂梁为研究对象，开展铁电材料和复合结构中与电畴变相关的滞凹动力学研究， 以及振动能量捕获的相关研究，对其他智能材料与结构的研究，也同样具布非常直接的、有 价值的参考意义。 本文主要内容如下: 第一章，首先阐述了本文的研究背景和意义，并基于国内外力电祸合材料振动能量捕获 的研究现状，归纳和分析其中亟待解决的关键科学与技术问题，确定了本文的研究思路。 第二章，首先较详细地介绍了铁电材料的畴结构和盹结构的极化反转，根据热力学理论， 介绍了铁电第一相变和铁电第二相变。并基于朗道相变理论，建立了一个新的铁电材料微分 本构模型，利用这个微分模型，有些地模拟了铁电材料的单滞因坏和双滞回坏，为将来铁电 材料的运用奠定基础。同时还介绍了基于悬臂梁振动的能量捕获基本原理。 第三章，首先简要介绍了压电效脏和压电方程，其次基于欧拉·伯努利梁的弯曲静力方程， 建立了铁电悬臂梁和压电悬臂梁的力电楠合方程，井利用 Comsol Multiphysics 软件对压电悬 臂梁进行了数值模拟，分别对自由端受到 100N 作用力和 50N 作用力进行了数值仿真，得 IH 悬臂梁自由端挠度与自由端受力成正比。 第四章，简述了力电锅合材料振动台架实验系统的基本原理，搭建了力电祸合结构振动 试验台架，并基于 labview 软件设计了该试验白架的数字采集系统。 第五章，首先利用力电楠合结构振动试验台架，对铁电悬臂梁和压电悬臂梁进行振功能 量捕获实验，比较分析了铁电悬臂梁和压电悬臂梁在不同激振频率和振幅作用下所产生的电 量，其次比较分析了相同激振频率和振幅作用下铁电悬臂梁和压电悬臂梁所产生的电蠢的大 小，并分析了实验现象的原因，最终得出力电糯合悬臂梁的输出电量的大小与激振频率和振 动幅值有关。 第六章，首先对本文所做的工作做了一个总结，其次指出了本文工作存在的不足，如压 咆悬臂梁和铁电悬臂梁的激励振幅过小，从而使得铁电悬臂梁无法得到较大的外载荷，因而 无法让铁电材料发生极化反转:同时在压电材料和铁电材料的选型上还需要进一步的改进， 以方便实验数据的比较。 关键词:力电祸合，能最捕获，铁电材料，压电材料，极化反转，铁电相变，微分模型 杭州电子科技大学硕士学位论文 杭州电子科技大学硕士学位论文 11 11 ABSTRACT In order to promote the application of mechanical electrical coupling materials and structures， and ωboost its applicationωa new level，we need immediately to resolve the simulation problem of its inner nonlinear dynamics. So how ωconstruct a differential model of hysteresis to suit engineering application is now becoming a basic scientific issue in related application researches of energy capture. In this article，piezoelectric and ferroelectric cantilever beam are the object of study，and the researches of hysteresis dynamic associated with domain switching in ferroelectric materials and composite structures