مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مقایسه روش المان محدود و روش جدا سازی متغیرها در بررسی رفتار فرکانسی تیر پیزوالکتریکی بایمورف

نویسندگان
1 هیئت علمی/ دانشکده هوافضا دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
2 هیئت علمی دانشکده هوافضا دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
3 دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده هوافضا دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی
4 دانشجوی کارشناسی ارشد هوافضای دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی
چکیده
در سال‌های اخیر برای محاسبه انرژی خروجی از پیزوالکتریک ها از انواع روش‌های تحلیلی استفاده شده است ولی استفاده از روش المان محدود با استفاده از نرم‌افزارهای تحلیلی در انواع اتصالات مداری صفحات پیزوالکتریکی اتفاقی نو در این حوزه است به همین علت در این مقاله سعی شده است که برای اولین بار میان شکلی از تحلیل عددی به نام روش تحلیلی جداسازی متغیرها با تحلیل روش المان محدود به کمک نرم‌افزار آباکوس مقایسه انجام شود تا مزیت‌های این دو روش نسبت به هم در انواع حالت‌های اتصال صفحات پیزوالکتریکی مشخص گردد. مدل موردنظر، یک تیر بایمورف با دولایه پیزوالکتریک و یک ‌لایه‌ی مرکزی الاستیک است. این تیر بایمورف با تحریک پایه در فرکانس‌های مختلف شروع به ارتعاش می‌کند. در ابتدا از روش تحلیلی جداسازی متغیرها در حالت پایا برای بررسی رفتار فرکانسی تیر بایمورف استفاده شده است. در این روش ابتدا معادلات حرکت در حالت مداری موازی و سری به‌صورت پارامترهای مجزا به دست می‌آیند. سپس به کمک اصل جداسازی متغیرها، معادلات حل‌شده‌اند و دو معادله‌ی کوپل شده‌ی مکانیکی و الکتریکی به دست می‌آیند. درنهایت، ولتاژ, جریان و توان الکتریکی خروجی برحسب فرکانس به‌دست‌آمده‌اند. در ادامه برای بررسی به روش المان محدود، تیر بایمورف به کمک نرم‌افزار آباکوس مدل می‌شود. بعد از محاسبه ولتاژ خروجی، جریان و توان الکتریکی خروجی نیز به دست می‌آیند. و نتایج دو روش المان محدود و جداسازی متغیرها در حالت پایا باهم مقایسه و صحت سنجی شده‌اند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

A Comparison between finite element and separation of variables method in investigating frequency behavior of Bimorph piezoelectric beam

نویسندگان English

Saied Irani 1
Mojtaba Farrokh 2
Meisam Pashna 3
Sina Heidari Somee 4
چکیده English

in recent years, Variety of analytical methods have been used to calculate the output piezoelectric energy, but it is new something the use of finite element method and compared using analysis software with numerical methods. And also check the types of circuit connection of piezoelectric layers So in this article particular form of numerical analysis method is called separation of variables method compared with the finite element method, To take advantage of these methods is to be determined. The model is a Bimorph beam with two piezoelectric layers and a central elastic layer. This Bimorph beam starts vibrating at various frequencies as a result of base excitation. First, frequency behavior of the Bimorph beam is simulated using the separation of variables method. In this method, the equations of motion in parallel and series connection of piezoelectric layers are obtained as separate parameters. The coupled mechanical and electrical equations are derived using the solution of equations obtained from the separation of variables method. Finally, the output voltage, current and power are obtained in terms of frequency.
Then, the Bimorph beam is modeled based on finite element method using ABAQUS software. after the illustrating Output voltage, current and power diagrams is illustrated for a certain range of frequencies and the results of the finite element method and the steady state method are compared to validate the model.

کلیدواژه‌ها English

Piezoelectric
Finite element
Energy harvesting
Bimorph beam