基于變密度法的壓電能量收集結構拓撲優(yōu)化方法研究.pdf

1、采用拓撲優(yōu)化方法對壓電能量收集結構進行結構設計上的優(yōu)化，是指在一個特定的工作條件下，施加外力、振動或其他一些約束，采用拓撲優(yōu)化算法對設計區(qū)域內的材料分布進行計算，在合適的地方放置材料，在不需要的地方取消材料。本文深入分析了國內外拓撲優(yōu)化的研究現狀及其在壓電材料領域的應用情況，針對現階段缺乏有效的方法指導壓電能量收集結構的設計、能量收集效率不高、復合材料壓電能量收集結構拓撲優(yōu)化研究不多、未考慮壓電能量收集結構的可制造性等問題，在前人工作的

2、基礎上，本文比較系統(tǒng)的研究了基于壓電能量收集結構、最大化能量轉化效率的拓撲優(yōu)化問題建模、復合材料壓電能量收集結構、模式重復約束下的單層壓電片能量收集結構等問題。
　　首先，研究了二維四節(jié)點十二自由度壓電材料單元的有限元分析問題，并在MATLAB中進行了實現，分析了基于這種有限單元、帶懲罰系數的各向同性壓電材料模型，并研究了懲罰系數選取的合理條件。建立了以能量轉換系數最大化為目標的優(yōu)化模型，研究了目標函數的敏度分析過程，并將移動漸近

3、線法（MMA，Method of Moving Asymptotes）法應用于該問題的求解。
　　其次，研究了兩相材料壓電懸臂梁最大化能量轉換效率的拓撲優(yōu)化問題，構建了基于PEMAP-P（Piezoelectric Material with Penalization and Polarization）模型改進的兩相材料壓電能量收集結構拓撲優(yōu)化模型，使用 MMA方法求解了該問題。通過對算例結果的對比與分析，驗證了所提方法用于指導兩