三维编织压电复合材料振动能量收集装置结构设计及多物理场耦合特性分析

作     者：孟祥勋 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏高峰

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：压电复合材料 振动能量收集 三维编织 多物理场耦合 振动特性分析 

摘      要：随着无线传感器网络和物联网技术的广泛应用,压电振动能量收集技术也受到越来越多的关注和研究。该技术具有结构简单、轻盈、污染小、且方便多次使用等优点,在环境监测、健康监测、结构监测、智能家居等领域得到了广泛应用。在压电振动能量收集装置中压电陶瓷材料是主要的结构材料,但压电陶瓷是一种品质因数差且强度比较低的无机材料,这很大程度上影响了它在实际结构当中的应用,因此选取一种性能优异的材料来与压电陶瓷组成一个整体的结构对智能结构的发展意义重大。三维编织复合材料具有优异的层间性能、良好的可设计性等优点,已广泛应用于医疗与运动器械、海洋工程结构、航天与航海材料等领域。本文将三维编织技术与压电振动能量收集技术结合起来,建立了三维编织压电复合材料振动能量收集装置,以提高能量收集装置的力学性能与输出响应。本文的主要工作如下:首先,根据三维四步编织工艺,在三维建模软件UG中建立了三维编织复合材料的纤维预制件模型,并在此基础上得到了三维编织复合材料的周期性代表性体积单元模型与有限元模型。之后,借助ABAQUS软件对三维编织复合材料的有限元模型进行模拟分析,得到了三维编织复合材料的弹性性能参数,热力学性能参数和电学性能参数。其次,通过三维编织技术将碳纤维束与压电陶瓷基体结合起来,建立了一种新型三维编织压电复合材料振动能量收集装置。得到其在受迫振动下的动力学模型,并对其进行振动模态与输出响应分析;研究了不同纤维体积分数的能量收集装置受激励频率、负载电阻和外在激励加速度影响的输出响应以及低频频域响应。最后,建立了上下压电层中间三维编织弹性层的对称双压电结构的三维编织压电复合材料振动能量收集装置。根据牛顿力学理论推导了装置在力-电-热多场耦合下三维编织压电复合材料振动能量收集装置的控制方程;研究了装置在不同温度下的受激励频率、负载电阻和外在激励影响的输出响应,并对其在不同温度下进行频域相应分析。