《压电装置的机电转换性能有限元分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压电装置的机电转换性能有限元分析（82页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、分类号 U D C 密 级 学校代码! ! 垒! ! 武j 萎理歹大署 学位论文 题目匡垫鉴量鲍扭塾整拯：丝丝查垦垂金盘 英文 F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i sf o rm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a l 题目c o n v e r s i o np e r f o r m a n c eo f t h ep i e z o e l e c t r i cd e v i c e 研究生姓名盛噬 姓名壑基职称耋咝学位盥 指导教师单位名称垫塾墨堡堂瞳邮编 申请学位级别 论文提交日期 硕士 2 0 12
2、 5 4 3 0 0 7 0 论文答辩日期 学位授予单位盍垫墨三盘鲎学位授予日期 20 12 5 答辩委员会主席堑盘评阅人 一 堑盘 阮祥发 2 01 2 年5 月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留
3、并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：臧日趴导师( 签名) ：茎奎塑期加2 ，r ，多b 中文摘要 自从二十世纪世界范围内爆发能源危机，以及人类环保意识日益增强，传 统的几种发电方式已经很难满足人类对清洁能源的需求。世界范围内，各个国 家都已经着手对干净、稳定、成本低的发电
4、装置的科学研究。考虑到微型发电 装置需要绿色、环保以及能够可持续利用，科研人员把目光投向压电发电装置。 压电发电装置主要是利用其内部压电材料的压电效应，压电材料在外界作用力 的挤压下可以产生电荷，当所产生的电荷量足够大时候，它是可用来直接为电 路或电子元器件提供所需电能。压电发电装置具有结构简洁、生产制造方便和 具有集成化等优点。 本文首先介绍压电材料的物理特性，压电材料在受到力载荷的时候，其材 料应变会使压电材料对称两端面产生电荷，而且两面产生的电荷是互为正负。 与之相反的是，压电材料在外界电场作用下，其内部电荷发生位移，这些电荷 的位移也会引起材料体积产生变形。接着介绍一些压电晶体的基本方
5、程，所谓 压电方程就是描述压电材料的力学量( 应力T h 和应交S k ) 与电学量( 电场强度 E i 和电位移D i ) 之间的线性关系。 压电发电装置主要工作原理是通过利用压电陶瓷的机电转换特性将环境振 动机械能转化为工作电路所需的工作电能。压电陶瓷P Z T - 4 在受压过程中，首 先是弹性交形( 及应力与应变成线性关系) ，同时在压力撤销后，压电陶瓷P Z T 一4 能够自由返回至初始状态。但当压电陶瓷所受到的压力大小超过一定强度时， 压电陶瓷会发生塑性变形( 及应力与应变成非线性关系) i 同时在撤销压力情况 下，压电陶瓷仍然存在残余应变不能自由返回初始状态。这对压电发电装置的
6、工作会产生破坏性作用，所以我们通过实验手段找出找出压电陶瓷弹性变形与 塑性变形的拐点( 及压电陶瓷P Z T 一4 的屈服强度) ，这一强度值大小为3 0 M P a 。 紧接着主要讲述这样运用有限元软件A N S Y S 模拟压电陶瓷和压电发电装置 的压电性能特性。在此基础上，本文针对压电陶瓷P Z T 一4 进行有限元建模，分 别进行了静态分析、模态分析、谐响应分析、瞬态分析以及压电电路仿真分析。 把有限元输出结果与理论公式计算结果进行比较，验证了理论分析公式的正确 性。 最后简要概述了公路压电发电装置工作原理和其高效的能源利用率，同时 构建其力学模型。分析了公路压电发电装置在具体环境中的
7、载荷与约束条件， 然后利用上文实验得出的压电点陶瓷屈服强度来计算具体压电陶瓷片许用尺 寸。压电陶瓷许用尺寸为：直径D = 3 3 m m ，厚度H = O 7 m m 。 关键字：压电陶瓷，有限元仿真，公路压电发电装置 A b s t r a c t W i t ht h eo u t b r e a ko ft h ee n e r g yc r i s i si n2 0 t hc e n t u r ya l lo v e rt h ew o r l d ，a n dt h e e n h a n c e m e n to ft h eh u m a n Se n v i r o n m
8、 e n t a la w a r e n e s s ，t h et r a d i t i o n a l w a y so f g e n e r a t i o nC a nh a r d l ym e e to u rd e m a n df o rt h ec l e a ne n e r g y M a n yc o u n t r i e sh a v e a l r e a d ys e ta b o u td o i n gs c i e n t i f i cr e s e a r c h e so nt h eg e n e r a t i n gs e t st h
9、a ta r ec l e a n , s t a b l e ，a n dl o w - c o s t S i n c et h e m i c r o - p o w e rg e n e r a t i o n d e v i c ei s g r e e n ， e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，a n ds u s t a i n a b l e ，i th a sb e e ns t u d i e d b ys c i e n t i f i c r e s e a r c h e r s T h ep i e z o
10、 e l e c t r i c i t yd e v i c ei sm a i n l yb a s e do nt h ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to f i t si n n e rp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s ，w h i c hC a l lp r o d u c ec h a r g eu n d e rt h es q u e e z eo ft h e e x t e m a lf o r c e I tC a nb eu s e dd i r e c t l yt op r
11、 o v i d et h ee l e c t r i c i t yf o rt h ec i r c u i t so rt h e e l e c t r o n i c c o m p o n e n t sw h e nt h e e l e c t r i c c h a r g ep r o d u c e d i ss u f f i c i e n t T h e p i e z o e l e c t r i c i t yd e v i c e i s s i m p l ei ns t r u c t u r e ，e a s yf o rp r o d u c t
12、i o n , a n dh i g h l y i n t e g r a t e d I nt h i st h e s i s ，i tf i r s ti n t r o d u c e st h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h e p i e z o e l e c t r i c m a t e r i a l s ，i ，e u n d e rt h ee f f e c to ft h ef o r c e l o a d ，t h em a t e r i a ls t r a i no ft h e p i e z o e
13、 l e c t r i cm a t e r i a l sw i l lm a k ei t ss y m m e t r i c a le n d sp r o d u c ec h a r g e ，a n dt h e e l e c t r i cc u r r e n to nt h et w oe n d s ，o n ei S p o s i t i v e ，t h eo t h e rn e g a t i v e I nc o n t r 4 a s t u n d e rt h ee f f e c to fe x t e r n a le l e c t r i c
14、f i e l d ，t h ei n t e r n a l c h a r g eo ft h ep i e z o e l e c t r i c m a t e r i a l sw i l lt a k ep l a c ed i s p l a c e m e n t ，w h i c hw i l la l s oc a u s et h ed e f o r m a t i o no ft h e m a t e r i a l s S e c o n d , i ti n t r o d u c e st h eb a s i ce q u a t i o n so fs o
15、 m ep i e z o e l e c t r i cc r y s t a l s ， w h i c hr e p r e s e n tt h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em e c h a n i c a lq u a n t i t y ( T ha n dS k ) a n dt h ee l e c t r i c a lq u a n t i t y ( E ia n dD i ) o f t h ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s T h em
16、 a i nw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep i e z o e l e c t r i c i t yd e v i c ei s c o n v e r t i n gt h e e n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o nm e c h a n i c a le n e r g yi n t oe l e c t r i c a le n e r g yb yt h ee l e c t r i c a l c o n v e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s T h ef i r s tt h i n gt oh a p p e n , w h e nt h eP Z T - 4 p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ci su n d e rp r e
