مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی رفتار برداشت کننده انرژی غیرخطی دوپایا

نویسندگان
1 مهندسی مکانیک، طراحی کاربردی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران
2 عضو هیات علمی
چکیده
در این مقاله پهنای باند موثر در یک برداشت کننده الکترومکانیکی با تابع پتانسیل دوپایا مورد بررسی قرار گرفته است. پیکربندی برداشت‌کننده به صورت تیر یکسر گیردار بوده که لایه‌های پیزوالکتریک به دو سمت آن چسبانده شده‌اند. مجموعه تحت ارتعاش پایه سینوسی قرار گرفته و یک نیروی محوری به انتهای آن وارد می‌شود. بزرگی نیروی محوری به حدی است که سیستم دچار پس‌کمانش شده و تابع پتانسیل آن به صورت دوپایا در می‌آید. تیر به صورت اویلر-برنولی غیرخطی مدل‌سازی شده و روابط حاکم بر آن با استفاده از معادلات لاگرانژ استخراج می‌شوند.در ادامه معادلات دیفرانسیل جزئی با روش مد‌های مفروض گسسته‌سازی گشته و معادلات دیفرانسیل حاصله با روش میانگین‌گیری مختلط حل و نتایج با حل عددی مقایسه شده‌اند. جاذب‌های مختلف مانند جاذب‌های تناوبی، شبه تناوبی و آشوبناک شناسایی شده و نواحی مختلف فرکانسی مرتبط با آن‌ها مشخص می‌شود. با استفاده از روش نیمه تحلیلی مرز نواحی مختلف در فضای شتاب پایه-فرکانس پیش‌بینی شده است. در انتها رفتار تناوبی سیستم‌های تک مد و چند مد بررسی و مقایسه شده‌اند. نشان داده شده است که سیستم تک مد پیش‌بینی مناسبی از رفتار سیستم ارائه نمی‌دهد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Response regime of nonlinear bistable energy harvester

نویسنده English

Alireza Khatami 1
1 Department of Mechanical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Mazandaran, Iran
چکیده English

The effective bandwidth of a bi-stable electromechanical energy harvester is investigated. The Harvester’s configuration is in the form of a cantilever beam in which the piezoelectric layers are attached on its two sides. The whole device undergoes sinusoidal base excitation. In addition an axial force is applied to the end of the beam. Post-buckling is caused by this force and system becomes bistable. The cantilever beam is modeled as a nonlinear Euler-Bernoulli beam and equations of motion are generated using Lagrangian method. The equations then discretize via Assumed Mode method and governing equations are solved via Complexification Averaging solution and compared with numerical results. Different attractors such as periodic, quasi-periodic and chaotic attractors are detected and their relative frequency domains are identified. Using semi-solution method, boundaries of different areas plotted in the base excitation-frequency domain. Finally, Uni-modal and multimodal cases are studied and compared with each other. It is shown that the uni-modal solution does not predict the behavior of the system correctly.

کلیدواژه‌ها English

nonlinear energy harvesting
bi-stable harvester
Complexification Averaging method
[1] A. Erturk, D. J. Inman, Piezoelectric energy harvesting: John Wiley & Sons, 2011.
[2] M. A. Pillai, E. Deenadayalan, A review of acoustic energy harvesting, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 15, pp. 949-965, 2014.
[3] M. Mouis, E. Chávez‐Ángel, C. Sotomayor‐Torres, F. Alzina, M. V. Costache, A. G. Nassiopoulou, Thermal Energy Harvesting, Beyond-CMOS Nanodevices 1, pp. 135-219, 2014.
[4] S. L. Eli, K. W. Paul, Resonance tuning of piezoelectric vibration energy scavenging generators using compressive axial preload, Smart Materials and Structures, Vol. 15, No. 5, pp. 1413, 2006.
[5] H. Xue, Y. Hu, Q. m. Wang, Broadband piezoelectric energy harvesting devices using multiple bimorphs with different operating frequencies, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 55, No. 9, pp. 2104-2108, 2008.
[6] A. M. Wickenheiser, E. Garcia, Broadband vibration-based energy harvesting improvement through frequency up-conversion by magnetic excitation, Smart Materials and Structures, Vol. 19, No. 6, pp. 065020, 2010.
[7] L. Tang, Y. Yang, C. K. Soh, Toward broadband vibration-based energy harvesting., Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 21, pp. 1867-1897, 2010.
[8] R. Harne, K. Wang, A review of the recent research on vibration energy harvesting via bistable systems, Smart materials and structures, Vol. 22, pp. 023001, 2013.
[9] J. Moehlis, B. E. DeMartini, J. L. Rogers, K. L. Turner, Exploiting Nonlinearity to Provide Broadband Energy Harvesting, No. 48920, pp. 119-121, 2009.
[10] A. Erturk, J. Hoffmann, D. J. Inman, A Piezomagnetoelastic Structure for Broadband Vibration Energy Harvesting, Applied Physics Letters, Vol. 94, No. 25, 2009.
[11] M. Panyam, R. Masana, M. F. Daqaq, On approximating the effective bandwidth of bi-stable energy harvesters, International Journal of Non-Linear Mechanics, Vol. 67, pp. 153-163, 2014.
[12] M. Panyam, M. F. Daqaq, A comparative performance analysis of electrically optimized nonlinear energy harvesters, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 27, pp. 537-548, 2016.
[13] M. Mohammadpour, M. Dardel, M. H. Ghasemi, M. Pashaei, Nonlinear energy harvesting through a multimodal electro-mechanical system, Journal of Theoretical and Applied Vibration and Acoustics, Vol. 1, pp. 73-84, 2015.
[14] M. Zamanian, H. Rezaei, M. Hadilu, S. A. A Hosseini, A comprehensive analysis on the discretization method of the equation of motion in piezoelectrically actuated microbeams, Smart Structures and Systems, Vol. 16, pp.891-918, 2015.
[15] A. F. Vakakis, O. V. Gendelman, L. A. Bergman, D. M. McFarland, G. Kerschen, Y. S. Lee, Nonlinear targeted energy transfer in mechanical and structural systems, Springer Science & Business Media, Vol. 156, 2008.