مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

برداشت انرژی ارتعاشی در پیکره‌بندی پیزومگنتوالاستیک با استفاده از تشدید فوق‌هارمونیک

نویسندگان
امین یوسف پور 1
محمد صفی خانی محمودی 2
محمد رضا حائری یزدی 3
آرش بهرامی 4
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، پردیس دانشکده‌های فنی دانشگاه تهران، تهران
2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، تهران
3 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، تهران
4 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، تهران
چکیده
سیستم‌های غیرخطی دارای تشدیدهای فوق‌هارمونیک می‌باشند. این تشدیدها در کسری از فرکانس طبیعی سیستم رخ می‌دهند و می‌توانند پاسخ با دامنه زیادی را فعال کنند. استفاده از این تشدیدها به دلیل پایین بودن فرکانس آن‌ها برای سیستم‌های برداشت انرژی می‌تواند بسیار مفید باشد. هدف از این پژوهش، بررسی سیستم برداشت انرژی ارتعاشی غیرخطی با هندسه پیزومگنتوالاستیک تحت تحریک‌ فوقهارمونیک می‌باشد. در مقاله پیش‌رو معادلات حاکم بر سیستم در دو حالت پایداری یگانه و پایداری دوگانه با استفاده از روش مقیاس‌های چندگانه حل شده و حالاتی که فرکانس تحریک خارجی برابر با فرکانس تشدید فوق‌هارمونیک است، بررسی می‌گردد. در این حالات جابجائی نوک تیر و میزان ولتاژ خروجی بدست آمده و نشان داده می‌شود که تشدید فوق‌هارمونیک برای بهره‌برداری از سیستم‌های برداشت انرژی غیرخطی مفید بوده و باعث افزایش انرژی برداشت شده در این سیستم‌ها می‌گردد. همچنین میزان انرژی بدست‌آمده در سیستم با پایداری یگانه و سیستم با پایداری دوگانه مقایسه گردیده است. مشاهده می‌شود سیستم با پایداری دوگانه برای برداشت انرژی مناسب‌تر است. علاوه بر روش مقیاس‌های چندگانه، با استفاده از روش عددی رانگ کوتا پاسخ‌ها بدست آمده است. نتایج روش مقیاس‌های چندگانه با نتایج روش حل عددی مقایسه گردیده است. مشاهده می‌شود نتایج دو روش تطابق بسیار خوبی دارند.
کلیدواژه‌ها
برداشت انرژی
پیزومگنتوالاستیک
تشدید فوق‌هارمونیک
روش مقایس‌های چندگانه

موضوعات

عنوان مقاله English

Piezomagnetoelastic vibration energy harvesting with superharmonic resonance

نویسندگان English

amin Yousefpour 1
Mohammad Safikhani 2
Mohammad Reza Hairi Yazdi 3
arash bahrami 4
1 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.
3 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.
4 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده English

Nonlinearities give rise to secondary resonances such as superharmonic and subharmonic resonances. The superharmonic resonance can activate large-amplitude responses when the excitation frequency is a fraction of the fundamental frequency of the system. These low frequency excitations are very beneficial for energy harvesting systems. This paper presents an analytical investigation of vibrational energy harvesters with superharmonic excitation in a pietzomagnetoelastic configuration. A piezomagnetoelastic power generator is assumed to operate in the monostable and bistable modes. Nonlinear differential equations governing the oscillations of the system is solved using the method of multiple scales. System responses to the superharmonic resonance including the cantilever tip displacement and the output voltage are determined. It is found that employing the superharmonic resonance can increase the amount of harvested energy in the system. The root mean square value of the output voltage is obtained for several cases in both monostable and bistable modes. The power generated in monostable and bistable modes is then compared through numerical simulations. It is observed that the bistable mode is more convenient for harvesting energy. In addition, a Rung-Kutta numerical scheme is used to solve the differential equations. It is shown that the perturbation solution is in a close agreement with the numerical solution.

کلیدواژه‌ها English

Energy harvesting
piezomagnetoelastic
superharmonic resonance
Method of multiple scales
[1] S. Gregori, Y. Li, H. Li, J. Liu, F. Maloberti, 2.45 GHz power and data transmission for a low-power autonomous sensors platform, in Proceeding of, IEEE, pp. 269-273, 2004.
[2] Y. Hou, Y. Zhou, L. Yang, Q. Li, Y. Zhang, L. Zhu, M. A. Hickner, Q. M. Zhang, Q. Wang, Flexible Ionic Diodes for Low‐Frequency Mechanical Energy Harvesting, Advanced Energy Materials, Vol. 7, No. 5, pp. 1614-6840, 2017.
[3] S. P. Beeby, R. N. Torah, M. J. Tudor, P. Glynne-Jones, T. O'Donnell, C. R. Saha, S. Roy, A micro electromagnetic generator for vibration energy harvesting, Journal of Micromechanics and microengineering, Vol. 17, No. 7, pp. 0960-1317, 2007.
[4] S. Jiang, X. Li, S. Guo, Y. Hu, J. Yang, Q. Jiang, Performance of a piezoelectric bimorph for scavenging vibration energy, Smart Materials and Structures, Vol. 14, No. 4, pp. 0964-1726, 2005.
[5] R. L. Harne, K. W. Wang, A review of the recent research on vibration energy harvesting via bistable systems, Smart materials and structures, Vol. 22, No. 2, pp. 0964-1726, 2013.
[6] L. Beker, A. Benet, A. T. Meybodi, B. Eovino, A. P. Pisano, L. Lin, Energy harvesting from cerebrospinal fluid pressure fluctuations for self-powered neural implants, Biomedical microdevices, Vol. 19, No. 2, pp. 1387-2176, 2017.
[7] S. Roundy, On the effectiveness of vibration-based energy harvesting, Journal of intelligent material systems and structures, Vol. 16, No. 10, pp. 809-823, 2005.
[8] D. Shen, S.-Y. Choe, D.-J. Kim, Analysis of piezoelectric materials for energy harvesting devices under high-g vibrations, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 10R, pp. 1347-4065, 2007.
[9] M. Umeda, K. Nakamura, S. Ueha, Analysis of the transformation of mechanical impact energy to electric energy using piezoelectric vibrator, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 35, No. 5S, pp. 1347-4065, 1996.
[10] J. Ajitsaria, S.-Y. Choe, D. Shen, D. J. Kim, Modeling and analysis of a bimorph piezoelectric cantilever beam for voltage generation, Smart Materials and Structures, Vol. 16, No. 2, pp.0964-1726, 2007.
[11] M. R. Asgharzadeh, K. Jahani, A. Kianpoor, M. H. Sadeghi, Energy Harvesting Investigation from Unimorph Trapezoidal Beam Vibrations using Distributed Parameters Method, Modares Mechanical Engineeringǡ, Vol. 14, No. 15, pp. 96-102, 2015 (in Persian).
[12] M. F. Daqaq, R. Masana, A. Erturk, D. Dane Quinn, On the Role of Nonlinearities in Vibratory Energy Harvesting: A Critical Review and Discussion, Applied Mechanics Reviews, Vol. 66, No. 4, 2014.
[13] Z. Yang, Y. Zhu, J. Zu, Theoretical and experimental investigation of a nonlinear compressive-mode energy harvester with high power output under weak excitations, Smart Materials and Structures, Vol. 24, No. 2, pp. 0964-1726, 2015.
[14] K. Jahani,P. Aghazadeh, Investigating the performance of piezoelectric energy harvester including geometrical damping and material nonlinearities with the method of multiple scales, Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 4, pp. 354-360, 2016 (in Persian).
[15] S. Roundy, P. K. Wright, J. Rabaey, A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes, Computer communications, Vol. 26, No. 11, pp. 1131-1144 2003.
[16] M. A. Karami, D. J. Inman, Equivalent damping and frequency change for linear and nonlinear hybrid vibrational energy harvesting systems, Journal of Sound and Vibration, Vol. 330, No. 23, pp. 5583-5597, 2011.
[17] S. Leadenham, A. Erturk, Nonlinear M-shaped broadband piezoelectric energy harvester for very low base accelerations: primary and secondary resonances, Smart Materials and Structures, Vol. 24, No. 5, pp. 0964-1726, 2015.
[18] F. C. Moon, P. J. Holmes, A magnetoelastic strange attractor, Journal of Sound and Vibration, Vol. 65, No. 2, pp. 275-296, 1979.
[19] A. Erturk, D. J. Inman, Piezoelectric energy harvesting: John Wiley & Sons, 2011.
[20] A. Preumont, Mechatronics: Springer, 2006.
[21] A. H. Nayfeh, D. T. Mook, Nonlinear oscillations: John Wiley & Sons, 2008.
[22] M. A. Karami, P. S. Varoto, D. J. Inman, Analytical Approximation and Experimental Study of Bi-Stable Hybrid Nonlinear Energy Harvesting System, in Proceeding of, American Society of Mechanical Engineers, pp. 265-271, 2011.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 7
آبان 1397
صفحه 1-4