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1、壓電裝置的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能有限元分析 自從二十世紀(jì)世界范圍內(nèi)爆發(fā)能源危機(jī),以及人類環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng),傳統(tǒng) 的幾種發(fā)電方式已經(jīng)很難滿足人類對(duì)清潔能源的需求。世界范圍內(nèi),各個(gè)國(guó)家都 已經(jīng)著手對(duì)干凈、穩(wěn)定、成本低的發(fā)電裝置的科學(xué)研究。 考慮到微型發(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(yīng),壓電 材料在外界作用力的擠壓下可以產(chǎn)生電荷,當(dāng)所產(chǎn)生的電荷量足夠大時(shí)候,它是 可用來(lái)直接為電路或電子元器件提供所需電能。 壓電發(fā)電裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、生產(chǎn)制造方便和具有集成化等優(yōu)點(diǎn)。本文首先 介紹壓電材料的物理特性,壓電材料

2、在受到力載荷的時(shí)候,其材料應(yīng)變會(huì)使壓電 材料對(duì)稱兩端面產(chǎn)生電荷,而且兩面產(chǎn)生的電荷是互為正負(fù)。 與之相反的是,壓電材料在外界電場(chǎng)作用下,其內(nèi)部電荷發(fā)生位移,這些電荷 的位移也會(huì)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(xué)量（應(yīng)力Th和應(yīng)變Sk）與電學(xué)量（電場(chǎng)強(qiáng)度Ei和電位移Di）之間的線性關(guān)系。 壓電發(fā)電裝置主要工作原理是通過(guò)利用壓電陶瓷的機(jī)電轉(zhuǎn)換特性將環(huán)境振 動(dòng)機(jī)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(guò)程中，首先是彈性變形（及應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系）,同時(shí)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

3、當(dāng)壓電陶瓷所受到的壓力大小超過(guò)一定強(qiáng)度時(shí),壓電陶瓷會(huì)發(fā)生塑性變形 （及應(yīng)力與應(yīng)變成非線性關(guān)系）,同時(shí)在撤銷壓力情況下,壓電陶瓷仍然存在殘余 應(yīng)變不能自由返回初始狀態(tài)。這對(duì)壓電發(fā)電裝置的工作會(huì)產(chǎn)生破壞性作用,所以 我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段找出找出壓電陶瓷彈性變形與塑性變形的拐點(diǎn)（及壓電陶瓷 PZT-4的屈服強(qiáng)度），這一強(qiáng)度值大小為30MPa 緊接著主要講述這樣運(yùn)用有限元軟件ANSYS（擬壓電陶瓷和壓電發(fā)電裝置 的壓電性能特性。在此基礎(chǔ)上，本文針對(duì)壓電陶瓷PZT-4進(jìn)行有限元建模，分別進(jìn)行了靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了理論分析公式的正 確性。最后簡(jiǎn)要概述了公路壓電發(fā)電裝置工作原理和其高效的能源利用率,同時(shí) 構(gòu)建其力學(xué)模型。 分析了公路壓電發(fā)電裝置在具體環(huán)境中的載荷與約束條件,然后利用上文實(shí) 驗(yàn)得出的壓電點(diǎn)陶瓷屈服強(qiáng)度來(lái)計(jì)算具體壓電陶瓷片許用尺寸。壓電陶瓷許用尺 寸為：直徑D=33mncp度H=0.7mm