بررسی تأثیر پارامترهای هندسی بر عملکرد برداشت کننده های انرژی پیزوالکتریکی تحت ارتعاشات هارمونیک پایه با استفاده از مدلسازی تحلیلی و روش اجزا محدود

در این مقاله، برداشت انرژی الکتریکی از ارتعاشات پایه تیر یکسر گیردار مد نظر قرار گرفته است. با توجه به بالا بودن کوپلینگ الکترومکانیکی مواد پیزوالکتریک نسبت به سایر روش­های برداشت انرژی از ارتعاشات، ساختار سیستم برداشت کننده انرژی به صورت یک تیر سه لایه متشکل از یک لایه فلزی و دو لایه پیزوالکتریک در طرفین آن، به همراه یک جرم اضافه شده در انتهای آزاد تیر  در نظر گرفته شده است. برداشت­کننده انرژی مذکور در نرم­افزار اجزا محدود  ANSYS و با بکارگیری تکنیک CPC-FEM مدلسازی شده و چگونگی تأثیر پارامترهای هندسی برداشت­کننده بر رفتار مکانیکی و الکتریکی آن بررسی شده است. با استفاده از الگوریتم ژنتیک، هندسه بهینه برداشت­کننده ارائه گردیده و نتایج حاصل از بهینه­سازی با نتایج روش­های تقریبی پیش­بینی رفتار برداشت­کننده­های پیزوالکتریکی مورد مقایسه قرار گرفته است نتابج بیانگر تطابق قابل قبول بین روش اجزاء محدود و روش تحلیلی می باشد، ولی دقت روش اجزاء محدود بخاطر استفاده از رابطه تنش- کرنش در کل طول دارای الکترود برداشت کننده، دقیقتر می­باشد. برداشت­کننده انرژی با هندسه بهینه قادر به برداشت توان الکتریکی 4/4 میلی­وات، ولتاژ 3/9 ولت در فرکانس125 هرتز و مقاومت الکتریکی10کیلو­اهم خواهد بود که این میزان توان و ولتاژ الکتریکی جهت  تغذیه شبکه­های سنسوری بی­سیم کفایت می­کند.