机械毕业设计1512新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究.docx
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机械毕业设计1512新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究
本科生毕业设计
毕业设计题目新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究
学生姓名
专业机械设计制造及其自动化
班级
指导教师
完成日期2014年5月30日
中文摘要
振动是一种很常见的物理现象，通过对振动能的收集，将振动能转换成电能，有利于缓解社会能源紧缺问题。
目前主要用来收集振动能的压电发电装置可以在各种存在振动的环境中工作，具有很好的应用情境。
而压电发电与无线网络传感器的结合，也使得其拥有更广阔的实用价值，且吸引了很多科研学者对其进行研究。
悬臂梁压电发电装置是现在最常见的振动能量采集装置，而这种装置的特点是结构简单，加工方便，可得到相对低的共振频率和较大的形变等。
本文基于前人的结构设计，运用Solid-works进行三维建模,并通过ANSYS有限元软件对蝴蝶式悬臂梁发电装置进行了静力分析以及模态分析，求解其谐振频率，并将计算结果与试验数据进行了对比，以验证有限元计算的正确性。
最后研究悬臂梁长度、宽度、厚度、形状等因素以及位移载荷对谐振频率的影响，最终确定最优化的结构设计参数。
关键词：
振动，压电发电，有限元分析，结构优化
Abstract
Vibrationisaverycommonphysicalphenomenon,bycollectingthevibrationenergyofthevibrationenergyintoelectricalenergywillhelpalleviatethesocialproblemsofenergyshortage.Atpresentismainlyusedtocollectthevibrationenergyofpiezoelectricpowergenerationdevicecanexistinavarietyofvibrationenvironmentwork,hastheverygoodapplicationsituation.Whilethepiezoelectricpowergenerationcombinedwiththewirelesssensornetworksalsomakeithavemorepracticalvalue,andattractedalotofresearchscholarstostudyit.
Cantileverpiezoelectricpowergenerationdeviceisnowthemostcommonvibrationenergycollectiondevice,andthecharacteristicofthedeviceissimpleinstructure,convenientprocessing,canberelativelylowresonancefrequencyandlargerdeformationetc.Inthispaper,basedonpreviousstructuraldesign,UsingSolid-worksmakethree-dimensionalmodelingandthebutterflytypecantileverbeamgeneratingdeviceforstaticanalysisandmodalanalysisbyANSYSfiniteelementsoftwaretosolvetheproblemoftheresonantfrequency,andthecalculatedresultswerecomparedwithexperimentaldata,toverifythecorrectnessofthefiniteelementcalculation.Finally,studyofcantileverfactorssuchaslength,width,thickness,shapeanddisplacementloadingeffectontheresonancefrequency,andultimatelydeterminetheoptimaldesignparameters.
Keywords：
Vibration，PiezoelectricPowerGenerationTechnology，FEA，StructuralOptimization
第一章绪论
1.1课题研究背景
近现代以来，产品的发展趋于小型化、微型化与集成化，而能源供应问题已成为制约产品微型化技术发展的瓶颈，其微型化问题受到普遍的关注。
传统的化学电池因其寿命短、经常需要充电和更换而逐渐不能满足于市场的要求。
而要使微电子产品真正实用化,制造出高质量、高功率能量密度的微能源器件是当前的关键之所在。
目前,微能源的研究和开发主要有微热光电（TPV）系统、微内燃机系统、微太阳能电池、微锂电池、微燃料电池、微热电系统等，但大多数的能量解决方案只适用于短寿命周期。
因此，一些科研机构着手研究基于机械能的集能系统,结果证明:
从机械振动中获得能量是切实可行的。
尽管产生的电力微小,正常在微瓦到毫瓦标准之间,但已经足够于微功耗系统的使用。
要将机械振动转化为电能所采用的方法一般有3种:
静电式、电磁式和压电式。
目前，电磁式感应技术是比较成熟的一种发电技术，转换能量也大，但其结构复杂，体积庞大，不适合微电系统。
而静电式在其能量转换时需要一个独立的电压源。
相比于前两种，压电式发电装置结构简单，工作环境要求低，无需初始电压，主要是依靠环境中的机械能进行转换，是一种新型环保能源[5]。
压电式发电能量的获得是通过压电效应把机械能转换为电能。
压电转换方法不需额外电源，易微型化，其能量转换可以达到相对较高的电压和功率密度，且适合于长寿命周期的微功耗的电子器件，具有非常广阔的应用前景。
1.2压电发电技术的发展历史与现状
1.2.1压电发电技术的发展历史
压电发电技术最早起源于1880年，是当时的居里兄弟发现的，他们发现在石英晶体中当晶体受到机械应力作用时，在其表面会产生电荷；相反的，晶体在外电场作用下会产生形变。
前者被称为正电效应，后者则被称为逆压电效应。
100多年过去，压电材料经历了几个里程碑的发展，由最初的石英晶体到锆钛酸铅陶瓷。
而各类的压电传感器、驱动器和换能器在水声、超声波、红外、激光、电光等技术领域中成为不可替代的重要器件。
1.2.2压电发电技术的发展现状
美国、日本、荷兰、英国等国家已经着手研制基于不同原理的微型发电装置[3],如压电、电磁及静电等为各类便携式微功率电器、传感器及监控系统提供能源。
利用每一种发电原理构造的发电装置都有其自身的特点和适用领域。
压电发电装置的优点是结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的微小化、集成化等,尤其适用于各类传感及监测系统。
1、法国TIMA实验室采用反应性离子刻蚀技术（DRIE）研制出应用于无源传感器网络系统的压电微能源获取装置，该装置采用悬臂梁结构，悬臂梁一端为立方体质量块,由硅加工制成,另一端通过一个悬臂梁连接到基体。
共振时,悬臂梁的上表面和下表面发生收缩和伸长,由于压电效应,压电层出现电荷。
这些由压电效应产生电荷通过能量获取电路加以收集。
该装置可以通过串联或并联的方式来增加电流或电压,同时,可以具备多种共振频率模式,扩大其带宽[5]。
2、美国加州伯克利分校的RoundyS博士设计了双压电片悬臂梁结构的收集振动能的发电器，其数学模型都是通过将压电发电器的机械部分和电学部分分别等效成电路,然后,用一个等效变压器将两部分等效电路联系起来,以模拟机电耦合的方法建立起来的。
这种建模方法巧妙,也比较准确,但等效变压器参数在不同情况下是不同的,必须实验测定,给优化设计带来了不便[7]。
3、2007年比利时IMEC中心研制出基于驻极体的振动式静电发电机，其输出功率为5μW。
由于加工技术问题和输出阻抗大等缺点，静电式发电机目前尚处在原理验证阶段。
振动式压电发电机具有结构简单、能量密度大、易于微型化等优点，逐步成为振动式微型发电机研究的热点[1,12]。
4、在国家“863”计划资助下，重庆大学微系统研究中心对采集电路进行了调节，提出了双振子微型发电机输出功率调节控制电路的研究方案，客服了单振子压电式微型发电机不能持续为大功率瞬时发射的无线传感器网络模块供电问题。
并且通过实验证明，功率调节电路的双振子压电式微型发电机平均输出功率为250~950μW，瞬时输出功率可达680mw，而自身的功耗不到40μW，足以达到微型电子元件供电要求。
该电路系统在“长华7号”滚装船上进行了机械故障检测系统的评测实验，取得了比较满意的结果[1]。
5、清华大学微电子学研究所采用（110）硅基片,研制了MEMS压电式能量收集器。
对于面积尺寸为3600μm×270μm的器件，测得谐振频率为1673Hz。
在频率为1673Hz和振幅为11nm的振动条件下,器件的最大输出功率为1.06nW，对应的最优负载电阻为28kΩ，归一化后得到的单位面积最大输出功率为0.11μW/cm2[2]。
压电发电的研究在各国取得了很大的进展与成果，但也面临着艰难的挑战。
而未来的压电发电技术也将向微能源器件发展、或与旋转机械相结合，或实现设备自供电。
1.3课题的研究意义
科技发展的关键是能源[8]，新能源的利用与能源利用技术方法的改进推动着社会的进步，能源支持着人类社会一切基本活动。
自然界的能量遵循着能量守恒定律，人类社会的工农业活动主要依靠煤、石油、天然气的供给。
但是日益发展的人类活动加速了能源的消耗，在不久的将来，这些不可再生资源将会耗尽，人类面临着能源危机。
而缓解能源危机的方法主要有：
降低能耗速度、对能量进行回收再利用以及寻找开发新能源。
环境中的振动无处不在，有些振动会给环境造成噪声污染，有些会给结构造成损伤，降低结构的使用寿命，还有些振动虽然不会带来污染或破坏，但振动能量却大量的流失掉了，若能将这些振动能量收集起来，转换为电能并采集利用，将会变废为宝，变不利为有利，将会为人类社会提供新的能源供给方式，以缓解社会对能源的需求。
传统的供能方式存在寿命短、需经常更换等缺点，不仅造成材料的浪费、成本的增加，甚至带来环境污染。
因此，人们逐步发现直接从环境中捕获能量并供能是一个很好的替代方法。
目前，主要有光能供电、水力供电、热能供电、洋流供电等。
光电能量的转换是目前比较成熟的技术，主要通过光生伏打效应将太阳能转换成电能，转换材料以单晶硅、多晶硅和非晶硅为主，转换效率达20%。
但其成本较高，且受到光照条件的限制，主要适用于空间技术。
热能是自然界普遍存在的一种能源，将热电偶放在热梯度空间中，可将热能转换成电能。
在自供能装置中，在一定温差范围内，利用热应变材料产生相变，热膨胀系数显著增加，将其与电活性材料复合，可实现热应力与电能的转换，但其热电转换效率较低，理论转换效率仅为5.5%，且需要较大的温差，在一般环境中难以使用。
风能是一种较清洁的可再生能源，主要通过风轮将风能装换成机械能，再通过发电机将机械能转换成电能。
通常风速要大于4m/s才适宜发电，且风速越大，发电效率越高。
但是风能并不稳定，且不可控。
风能发电机装置规模较大，将占用大量的土地资源，成本较高，且会对鸟类造成影响。
这些能源都受到环境和应用场合的限制，利用压电效应将振动能转换成电能相对比较简单，且限制条件较少。
压电发电主要通过压电材料将振动能转换成电能，是一种新型节能环保材料，不会向环境中排放有毒有害物质，在电能转换上，其不需要初始电压或变压器等，没有结构设计限制，无电磁干扰，且转换电压较高，越来越受到人们的关注。
本文主要针对压电式悬臂梁结构从环境中获得能量进行探索性了解。
了解国内外在压电式悬臂梁发电机存在的一些问题，比如输出功率较低、振邪频率较高等。
为解决这些问题，本文建立了新型蝴蝶式压电悬臂梁的ANSYS有限元模型。
从而分析压电悬臂梁能量的转换，确定压电悬臂梁结构对发电性能的影响因素，包括机构尺寸，材料特性，施加载荷等。
1.4本章小结
本章主要介绍了压电发电的发展历史以及现状，简单了解国内外在压电发电领域的研究成果。
通过本章节的学习让读者知道压电发电与传统能源发电的差别以及本文所需解决的问题。
第二章新型蝴蝶式压电悬臂梁的模型构建
人们在压电发电的研究上已有了比较成熟的研究成果，通过了解蝴蝶式压电悬臂梁的结构设计与基本原理，运用Solid-works软件建立新型蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的结构模型。
2.1基本原理
压电发电主要是依靠压电材料进行发电。
而因为压电陶瓷具有正压电效应和逆压电效应，所以是一种常见的压电材料。
某些电介质晶体会因为外力而发生形变,引起其内部正负电荷中心发生相对位移,使其表面上出现异号极化电荷。
这种没有电场作用,只是由于应变或应力,在晶体内产生电极化的现象称为正压电效应。
应力在一定范围内时,由压电效应产生的极化强度与应力成线性关系:
P=dX
式中,X为应力;d为压电应变常数;P为极化强度。
因为压电陶瓷硬而且脆,人们在构成压电振子时一般将其粘在金属上。
而在实际应用中,压电振子的支撑方式有很多种,其中悬臂梁支撑方式因为共振频率较低和柔顺系数较大等特点,所以比较适合压电发电领域。
由于压电陶瓷的能量收集涉及诸多领域，如材料、工艺、力学、电学等，因此许多关键技术还未能解决。
压电陶瓷产生的是电量小的交流电,因而一次振动产生的电能很难满足一些无线传感器的功耗需求[10]。
而为了提高压电陶瓷的发电量,需要优化压电振子的设计,并在试验中对压电振子的发电性能进行测试,从而设计出高效的转换与储存电路。
概括起来,基于压电陶瓷的振动能量捕获的关键技术主要包括以下几点：
1、压电材料的制备，2、压电振子优化设计，3、高效机电耦合模态研究，4、振动支撑结构设计，5、系统共振频率调整方法研究，6、高效的电荷提取电路设计以及其他方面。
2.2经典单层压电发电悬臂梁
经典的单层压电发电悬臂梁为一端固定一端自由的弹性体结构，其结构简单，便于加工制作。
图2-1和图2-2所示分别为压电单晶悬臂梁和压电双晶悬臂梁。
图2-1压电单晶悬臂梁结构
图2-2压电双晶悬臂梁结构
压电单晶梁结构功能单一，结构上更为简单，压电双晶梁结构具有更高的发电量以及能量转换效率。
通常为了达到降低发电装置固有频率等目的，会采用比重较大的质量块固定在悬臂梁的自由端，随着整个结构上下振动。
2.3Solid-works简介
Solid-works是一款为设计师提供三维设计，帮助其减少设计时间，增加精确性，提高设计师创新性的产品。
Solid-works软件的基本组成：
1、内置零件分析：
测试零件设计，分析设计的完整性。
机器设计工具：
具有整套熔接结构设计和文件工具，以及完全关联的钣金功能。
2、模具设计工具：
测试塑料射出制模零件的可制造性。
消费产品设计工具：
保持设计中曲率的连续性，以及产品薄壁的内凹零件，可加速消费性产品的设计。
3、对现成零组件的线上存取：
让CAD系统使用者透过市场上领先的线上目录使用现在的零组件。
4、模型组态管理：
在一个文件中产生零件或零组件模型的多个设计变化，简化设计的重复使用。
5、零件模型建构：
利用伸长、旋转、薄件特征、进阶薄壳、特征复制排列和钻孔来产生设。
6、曲面设计：
使用有导引曲线的叠层拉伸和扫出产生复杂曲面、填空钻孔，拖曳控制点以进行简单的相切控制。
直观地修剪、延伸、图化、缝织曲面、缩放和复制排列曲面。
2.4蝴蝶式悬臂梁压电发电装置
新型蝴蝶式悬臂梁压电发电装置由基座，基板和两片压电陶瓷片（压电单晶梁）组成。
基板的中间部位固定在基座上，而压电陶瓷片对称贴在悬臂梁上，从而形成两个压电悬臂梁，它们的几何尺寸及材料完全相同。
运用Solid-works进行三维建模，其结构及相关零件示意图如图2-3所示。
（a）结构图
（b）基板（c）基座
（d）质量块（e）压电片
（f）螺栓M4（g）螺母M4
图2-3蝴蝶式悬臂梁压电发电装置结构及零件示意图
这种双边对称悬臂梁结构相对于单边悬臂梁来说，不仅解决了单边压电发电悬臂梁由于结构质量集中于支架一侧，而容易造成整个发电结构偏离竖直中心线并产生左右摆动的问题，而且保留了压电发电原本具有的结构简单和易于制作的优势。
这种对称悬臂梁结构可以更加稳定和有效地吸收机械振动的能量。
2.5本章小结
本章首先对压电发电的基本原理进行了简单的介绍，最后给出了新型蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的结构设计，并对该结构进行了详细的说明。
第三章蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的实验研究
本章将针对蝴蝶式悬臂梁压电发电装置构建实验平台，并对其在振动环境下进行电压和模态振动测试，获得压电发电装置结构的电压以及固有频率，为下一章有限元计算提供对比数据，从而验证有限元模型的正确性。
3.1蝴蝶式悬臂梁压电发电装置实物的加工制作
3.1.1单层压电振子的加工制作
通过压电振子的正压电效应来发电，压电振子制作的好坏对其发电量的影响是非常关键，因此压电振子在制作时一定要注意以下事项。
1、金属基板的处理
首先将铍青铜裁剪成所需要的尺寸，然后对其进行热处理：
把铍青铜用两压板夹紧，以保证其平整；再将夹着铍青铜的夹板置于加热炉中加热2小时，温度设置为320℃；等加热完毕后，将夹板取出，冷却至室温；然后用砂纸将热处理后铍青铜表面的氧化层除去。
2、清洗
处理后的铍青铜和压电陶瓷片都必须用丙酮溶液清洗干净才可以粘贴：
用镊子夹取适量脱脂棉花，蘸取适量丙酮溶液，反复擦拭金属基板和压电陶瓷表面。
注意在清洗过程中不能损伤压电陶瓷表面的镀银电极。
3、粘贴
将清洗干净的金属基板和压电陶瓷置于干净的试验平台上，将AB胶以1：
1的比例调均匀，取少量涂于压电陶瓷上，并将压电陶瓷粘贴于金属基板上，同时轻轻的按压相粘贴的压电陶瓷和金属基板，排出气泡，挤出多余的胶水，并用小刮板将周边的AB胶刮去。
等压电陶瓷与金属基板相粘贴后，可用平板压住压电振子。
粘贴层应越薄越好，但应均匀的涂于压电陶瓷与金属基板相粘贴的面，以保证绝缘。
4、电极的引出
为了得到压电陶瓷的发电性能，需要在陶瓷的正负极分别引出电极。
可以通过焊丝将细导线焊接在压电陶瓷的正负极上，为下一步的性能分析做准备。
在焊接的过程中，应特别注意控制焊丝的温度，以免破坏压电陶瓷表面。
压电陶瓷与金属基板的基本性能参数见表3-1：
表3-1基板与压电片的基本性能参数
名称
材料
密度（kg/m3）
弹性模量（GPa）
泊松比
长（mm）
宽（mm）
厚（mm）
基板
铍青铜
8230
130
0.42
45
20
0.4
压电片
PZT-5H
7500
106
0.32
20
10
0.55
表3-1中基板的长度45mm为每个悬臂梁的长度，实际加工长度为100mm。
3.1.2蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的加工制作
蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的各部件组成及材料等基本结构参数如表3-2所示，图3-1为装置外观图。
表3-2蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的基本结构参数
编号
1
2
3
4
部件名称
基座
悬臂梁
质量块
压电片
材料
低碳钢
铍青铜
铸铁
PZT-5H
数量
2
1
8
2
图3-1蝴蝶式悬臂梁压电发电装置外观图
为了与蝴蝶式悬臂梁压电发电装置作比较与对比试验，还加工制作出了与包含在蝴蝶式悬臂梁压电发电装置中的压电悬臂梁具有相同结构尺寸与材料的经典压电发电悬臂梁，其外观图如图3-2所示。
其末端质量块的质量为22g。
图3-2经典压电发电悬臂梁外观图
3.2蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的试验测试
以经典压电发电悬臂梁作为对比对象，分别对蝴蝶式悬臂梁压电发电装置及经典压电发电悬臂梁的固有频率，发电电压等相关性能参数进行测量，其中压电片中心位置到基座的距离为15mm。
3.2.1压电发电结构的模态测试
模态是机械结构的固有振动特性。
每一阶模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，这些模态参数都可以由有限元计算或实验分析获得。
基于线性叠加原理，一个复杂的振动系统可以分解为多个模态的叠加，这样的分解过程就称为模态分析。
试验流程图及照片分别如图3-3、图3-4所示。
图3-3模态试验流程图
图3-4试验系统
试验过程中所用的主要仪器设备如表3-3所示：
表3-3主要仪器设备
序号
仪器名称
仪器型号
1
激振器
HEV-50
2
加速度传感器
CA-YD-132
3
扫频信号发生器
YE1311D
4
电荷放大器
YE5850
5
功率放大器
HEAS-50
6
信号调理仪
AZ308
以蝴蝶式悬臂梁结构的压电发电装置为测量对象，通过调节质量块的数量，可以获得不同质量的质量块组件，两端的质量均依次为0g，15g，22g，29g，36g和43g，其中每个附加质量块的质量为7g。
作为对比实验，在经典压电悬臂梁的自由端施加同样的质量块。
得到的固有频率测量结果如图3-5所示。
图3-5两种装置的固有频率的测量比较
由图3-5可以看出，质量块对装置固有频率的影响是明显的，随着自由端质量块质量增加，压电悬臂梁的第一阶固有频率明显下降。
通过对比可以看出，蝴蝶式悬臂梁压电发电装置中包含的两个压电悬臂梁的固有频率与具有相同末端质量块的经典压电悬臂梁的固有频率是基本一致的。
说明蝴蝶式悬臂梁压电发电装置可以简化为与其包含的两个压电悬臂梁具有相一致的尺寸、材料及末端质量块的经典压电悬臂梁来研究。
3.2.2压电发电装置的发电性能测试
试验流程图及照片分别如图3-6、图3-7所示。
图3-6发电性能测试流程图
试验系统的实物如图3-7所示
图3-7试验系统
试验过程所用的主要仪器设备见表3-4：
表3-4主要仪器设备
序号
仪器名称
仪器型号
1
激振器
HEV-50
2
示波器
DS1101E
3
电荷放大器
YE5850
4
功率放大器
HEAS-50
5
信号调理仪
AZ308
以蝴蝶式悬臂梁的半边和经典压电悬臂梁为研究对象，作进一步的实验研究，测量其在频率为28.1Hz，振幅分别为0.025mm，0.1mm，0.15mm，0.25mm，0.5mm，1mm，2mm时的输出电压，及频率为20Hz，30Hz，40Hz，50Hz，60Hz，70Hz，80Hz时的输出电压。
所得出的14组对比数据如图3-8所示。
（a）振幅
（b）频率
图3-8不同振幅和频率的输出电压
从图3-8可以看出，随着激励信号频率和振幅的变化，蝴蝶式悬臂梁的一边和经典压电悬臂梁的输出峰值电压的变化是比较吻合的。
当频率一定时，电压均随着振幅的增加而增加；当振幅一定时，电压随着频率的增加先上升后下降。
这说明蝴蝶式悬臂梁压电发电装置中包含的两压电悬臂梁的发电电压与
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