vestnik Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation 1729-5459 Кубанский государственный университет RU 513 Научная статья Original article Статьи Article Конечно-элементное моделирование и анализ пьезоэлектрического устройства накопления энергии в форме круглой пластины с пьезоэлементами Finite element modeling and analysis of piezoelectric device of energy storage in the form of a circular plate with the piezoelements Соловьёв А.Н. Соловьёв Аркадий Николаевич Solovyev Arkadiy N. solovievarc@gmail.com

д-р физ.-мат. наук, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики Донского государственного технического университета

 Ле В.З. Ле Ван Зыонг Le Van Zyong leduong145@gmail.com

аспирант кафедры теоретической и прикладной механики Донского государственного технического университета

 Донской государственный технический университет, Ростов-на-ДонуDon State Technical University, Rostov-on-Don 30 12 2013 4 112 119 11 07 2013 22 09 2013 30 12 2013 Copyright (c) 2013 Соловьёв А.Н., Ле В.З. 2013 Соловьёв А.Н., Ле В.З. Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

In this paper, the three-dimensional finite element model of the energy storage device is in the form of a bimorph - circular plate fixed the contour in the device frame using piezoelectric ceramics. The device frame makes the vertical harmonic vibrations with the given amplitude and frequency. We investigate simplified accounting model of the inertial mass. By developed models directly calculated in packages ANSYS and ACELAN, the dependence of the natural frequencies and the output voltage on the geometrical dimensions, material combinations and ways to fix the inertial mass is investigated. The result of calculations offered the construction of the device, which has the greatest efficiency.

В работе построена трехмерная конечно элементная модель устройства накопления энергии в виде биморфа — круглой пластины, закрепленной по контуру в корпусе устройства, с использованием пьезокерамики. Корпус устройства совершает вертикальные гармонические колебания с заданной амплитудой и частотой. Исследуется упрощенные модели учета инерционной массы. С помощью разработанных моделей прямыми расчетами в пакетах ANSYS и ACELAN исследуются зависимости собственных частот и выходного напряжения от геометрических размеров, сочетания материалов и способов закрепления инерционной массы. В результате расчетов предлагается конструкция устройства, обладающая наибольшей эффективностью.

 конечно-элементное моделирование накопление энергии пьезоэлектрик оптимизация биморф finite element modeling energy storage piezoelectric optimization bimorph Работа выполнена при частичной финансовой поддержки РФФИ (13-01-00196 А, 13-01-00943 А). Priya S., Inman D.J. Energy harvesting technologies. Springer Science+Business Media, LLC. 2009. 522 p. Erturk A., Inman D.J. Piezoelectric energy harvesting. John Wiley & Sons, Ltd., 2011. 402 p. Minazara E., Vasic D., Costa F. Piezoelectric Generator Harvesting Bike Vibrations Energy to Supply Portable Devices. In: Proc. of ICREPQ. 12-14 march 2008 Santander, Spain. 6 p. Anton S.R., Sodano H.A. A review of power harvesting using piezoelectric materials (2003-2006) // Smart Mater. Struct. 2007. Vol. 16. No. 3. P. 1-21. Priya S. Advances in energy harvesting using low profile piezoelectric transducers // J. of Electroceramics. 2007. Vol. 19. P. 165-182. Sodano H., Inman D., Park G. Generation and storage of electricity from power harvesting devices // J. Intell. Mater. Syst. Struct. 2005. Vol. 16. P. 67-75. Jyh-Cheng Yu, Chin-Bing Lan. System modeling of microaccelerometer using piezoelectric thin films // Sensors and Actuators A. 2001. Vol. 88. P. 178-186. Adhikari S., Friswell M.I., Inman D.J. Piezoelectric energy harvesting from broadband random vibrations // Smart Mater. Struct, 2009, Vol. 18. P. 115005-115012. Litak G., Friswell M.I., Adhikari S. Magnetopiezoelastic energy harvesting driven by random excitations // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 96. No. 5. P. 214103:1-3. Sodano H.A., Park G., Inman D.J. Estimation of Electric Charge Output for Piezoelectric Energy Harvesting // Strain. 2004. Vol. 40. No. 2. P. 49-58. Parton V.Z., Kudryavtsev B.A. Electromagnetoelasticity of Piezoelectrics and Electrically Conductive Solids. M.: Nauka, 1988. P. 1-472. Huan Xue, Hongping Hu. Nonlinear Characteristics of a Circular Plate Piezoelectric Harvester with Relatively Large Deflection Near Resonance // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. Vol. 55. No. 9. September 2008. P. 2092-2096. Белоконь А.В., Наседкин А.В., Соловьев А.Н. Новые схемы конечно-элементного динамического анализа пьезоэлектрических устройств // Прикладная математика и механика. 2002. Т. 66. No. 3. С. 491-501.