برداشت انرژي از ارتعاشات با استفاده از يك سيستم چندپايداره

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

امروزه به دليل گستردگي نياز به انرژي، برداشت‌كننده‌هاي انرژي از ارتعاشات محيط به طور گسترده براي رفع نياز سيستم‌هاي كم‌توان به مانند حسگرها و باتري‌هاي داراي قابليت شارژ مجدد استفاده مي‌شوند. به دليل سادگي و سهولت استفاده از تير و پيزوالكتريك خطي، تركيب اين دو سازه به وسيله‌اي رايج براي تبديل انرژي مكانيكي به الكتريكي، بدل شده است. يكي از عيوب اصلي سيستم‌هاي برداشت‌كننده انرژي ارتعاشي از محيط، افت شديد انرژي برداشت شده به دليل كوتاهي پهناي‌باند است كه در طي سال‌ها، روش‌هايي براي رفع اين مشكل به مانند تبديل فركانس، استفاده از آرايه‌اي از برداشت‌كننده‌ها و بهره‌گيري از پاسخ غيرخطي به وجود آمده است. در ميان زير‌شاخه‌هاي مربوط به روش بهره‌گيري از پاسخ غيرخطي، سيستم‌هاي غيرخطي چندپايداره به دليل توان خروجي بالا ناشي از پرش ديناميكي، داراي ويژگي‌‌ مفيدي براي برداشت انرژي از ارتعاشات هستند. اين پژوهش به بررسي عددي و تجربي برداشت‌كننده انرژي ارتعاشي پهن‌باند شامل وصله‌ي پيزوالكتريك، دو تير فرعي با حركت چرخشي و پيچشي، قيد دوطرفه در انتهاي تيرها و جرم فشرده مي‌پردازد. سيستم پيشنهادي، با نوآوري الهام گرفته شده از تغيير شكل سريع برگ گياه مگس‌خوار به يك ساختار كم هزينه چندپايداره دست يافته ‌است. رفتار غيرخطي سيستم اين پژوهش ناشي از هندسه خاص آن است و عدم وجود ميدان مغناطيسي خارجي كار را براي سنسورها راحت‌تر مي‌كند. اين ساختار چندپايداره متفاوت از سازه‌هاي غيرخطي مغناطيسي و كامپوزيت‌هاي داراي تنش باقي مانده خواهد بود؛ زيرا برداشت‌كننده پيزوالكتريك چندپايداره الهام گرفته از گياه مگس‌خوار، انرژي پتانسيل توليد شده را توسط قيد دوطرفه تيرها ذخيره مي‌كند و سپس در رهاسازي شديد انرژي در حين تغيير شكل سريع، انرژي را برداشت مي‌كند. گياه مگس‌خوار يكي از مثال‌هاي دقيق ساختار‌هاي دوپايدار در طبيعت است كه مي‌تواند حشرات چابك را با بستن انحناي دو برگ خود در زمان بسيار كوتاه (يك دهم ثانيه) به دام بيندازد. برگ‌هاي گياه مگس‌خوار داراي دومنحني در دو جهت هستند كه در حالت باز اين انحنا محدب است و در حالت بسته مقعر مي‌باشد. اين تغيير سريع ميان دو حالت پايدار به پديده پرش نسبت داده مي‌شود كه با آزادسازي شديد انرژي در قالب تغيير شكل بزرگ همراه است. در پژوهش حاضر به منظور بررسي تاثير پارامترهاي هندسي و مكانيكي سازه بر پهن‌باندي سيستم حالت‌هاي پايدار، ديناميك و برداشت انرژي سازه با استفاده از مدل المان محدود تهيه شده در نرم‌افزار آباكوس مورد بررسي قرار گرفته ‌است. سپس براي صحت‌سنجي نتايج نيز با ساخت نمونه آزمايشگاهي و تست سيستم با ارتعاشات پايه هارمونيك بر روي لرزاننده، سنجشي ميان داده‌هاي تجربي و عددي صورت داده شده‌ است. نتايج بيانگر آن است كه چه در شتاب پايه كم (كمتر از g8/0) كه سيستم رفتار خطي از خود نشان مي‌دهد، چه در شتاب‌هاي بالا (بيشتر از g2/1)، خروجي مدل‌سازي المان محدود به خوبي با داده‌هاي تجربي تطبيق دارد. رفتار غيرخطي سيستم برداشت‌كننده انرژي ارتعاشي در شتاب‌هاي پايه بالا، منجر به پهن‌باندي بازه موثر برداشت انرژي خواهد شد. همچنين سيستم پيشنهادي، قابليت تأمين توان mw 288/0 با مقاوت بار kΩ262/3 در شتاب پايه g 3 و فركانس تحريك Hz 695/12 را دارا خواهد بود.

215267

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان

رضا تيكني

حسن نحوي، علي لقماني

سعيد ضيايي‌راد