壓電裝置的機電轉(zhuǎn)換性能有限元分析.pdf

1、自從二十世紀世界范圍內(nèi)爆發(fā)能源危機，以及人類環(huán)保意識日益增強，傳統(tǒng)的幾種發(fā)電方式已經(jīng)很難滿足人類對清潔能源的需求。世界范圍內(nèi)，各個國家都已經(jīng)著手對干凈、穩(wěn)定、成本低的發(fā)電裝置的科學研究?？紤]到微型發(fā)電裝置需要綠色、環(huán)保以及能夠可持續(xù)利用，科研人員把目光投向壓電發(fā)電裝置。壓電發(fā)電裝置主要是利用其內(nèi)部壓電材料的壓電效應，壓電材料在外界作用力的擠壓下可以產(chǎn)生電荷，當所產(chǎn)生的電荷量足夠大時候，它是可用來直接為電路或電子元器件提供所需電能。壓電發(fā)

2、電裝置具有結(jié)構(gòu)簡潔、生產(chǎn)制造方便和具有集成化等優(yōu)點。
　　 本文首先介紹壓電材料的物理特性，壓電材料在受到力載荷的時候，其材料應變會使壓電材料對稱兩端面產(chǎn)生電荷，而且兩面產(chǎn)生的電荷是互為正負。與之相反的是，壓電材料在外界電場作用下，其內(nèi)部電荷發(fā)生位移，這些電荷的位移也會引起材料體積產(chǎn)生變形。接著介紹一些壓電晶體的基本方程，所謂壓電方程就是描述壓電材料的力學量(應力Th和應變Sk)與電學量(電場強度Ei和電位移Di)之間的線性關系

3、。
　　 壓電發(fā)電裝置主要工作原理是通過利用壓電陶瓷的機電轉(zhuǎn)換特性將環(huán)境振動機械能轉(zhuǎn)化為工作電路所需的工作電能。壓電陶瓷PZT-4在受壓過程中，首先是彈性變形(及應力與應變成線性關系)，同時在壓力撤銷后，壓電陶瓷PZT-4能夠自由返回至初始狀態(tài)。但當壓電陶瓷所受到的壓力大小超過一定強度時，壓電陶瓷會發(fā)生塑性變形(及應力與應變成非線性關系)，同時在撤銷壓力情況下，壓電陶瓷仍然存在殘余應變不能自由返回初始狀態(tài)。這對壓電發(fā)電裝置的工作

4、會產(chǎn)生破壞性作用，所以我們通過實驗手段找出找出壓電陶瓷彈性變形與塑性變形的拐點(及壓電陶瓷PZT-4的屈服強度)，這一強度值大小為30MPa。
　　 緊接著主要講述這樣運用有限元軟件ANSYS模擬壓電陶瓷和壓電發(fā)電裝置的壓電性能特性。在此基礎上，本文針對壓電陶瓷PZT-4進行有限元建模，分別進行了靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧響應分析、瞬態(tài)分析以及壓電電路仿真分析。把有限元輸出結(jié)果與理論公式計算結(jié)果進行比較，驗證了理論分析公式的正確性。