تاثیر بار مقاومتی روی دینامیک آشوبناک یک برداشت‌کننده انرژی پیزوالکتریک غیرخطی با متوقف‌کننده‌های الاستیک

اخیراً، تبدیل انرژی ارتعاشات محیط به انرژی الکتریکی مفید توسط برداشت‌کننده‌ها، توجه زیادی را به خود جلب کرده است که ناشی از کاربرد آن در خودتوان نمودن حسگرهای بدون سیم است. برداشت‌کننده‌های انرژی پیزوالکتریک معمولاً با متوقف‌کننده‌های الاستیک مجهز می‌شوند تا هنگامی که سازه در حال ارتعاش، در معرض بیشبارهای ناگهانی قرار می‌گیرد، از آسیب به لایه پیزوالکتریک جلوگیری نمایند. هرچند، متوقف‌کننده‌های الاستیک نیروهای تکه‌ای غیرخطی را ایجاد می‌کنند که منجر به پاسخ ولتاژ نامنظم سیستم می‌شوند. بنابراین در این مقاله، بار مقاومتی به عنوان پارامتر کنترلی برای افزایش محدوده پاسخ ولتاژ پریودیک و اجتناب از وقوع پاسخ نامنظم یک برداشت‌کننده انرژی ارتعاشی پیزوالکتریک دو جهته با متوقف‌کننده‌های الاستیک، استفاده شده است. معادلات الکترومکانیکال حاکم استخراج گردیده و با روش رانج – کوتا حل شده‌اند. پاسخ دینامیک غیرخطی با استفاده از نمودار دوشاخگی، صفحه فاز، نمودار طیف توان و نقشه پوانکاره تحلیل شده است. برای اعتبارسنجی نتایج شبیه‌سازی، آزمایش‌هایی نیز انجام شده است. رفتارهای غیرخطی متنوعی از جمله پاسخ‌های چندپریودیک و آشوبناک مشاهده شده است که تحت تاثیر بار مقاومتی قرار دارند. همچنین نتایج نشان داد که مقادیر بالاتر بار مقاومتی می‌تواند منجر به محدوده گسترده‌تری از پاسخ‌های پریودیک سیستم شود. نتایج این مطالعه می‌تواند راهکارهایی را برای بهینه‌سازی پارامترهای سیستم مطابق با شرایط ارتعاشی محیط‌های مختلف ارائه نماید.

resistive load effect on chaotic dynamic of a nonlinear piezoelectric energy harvester with elastic stoppers

recently, converting ambient vibrational energy into useful electric energy through energy harvesters has been attracted worldwide attention due to its application in realizing self-powered operation of wireless sensors. piezoelectric energy harvesters are usually equipped with elastic stoppers to prevent damage to the piezoelectric layer when the oscillating structure is attacked by sudden overloads. however, elastic stoppers cause nonlinear piecewise forces, which can lead to irregular voltage response of the system. so, in this paper, the resistive load is used as the control parameter to increase range of periodic voltage and avoid the appearance of irregular response of a bi-directional piezoelectric vibration energy harvester with the elastic stoppers. the governing electromechanical equations are extracted and solved by the runge–kutta method. the nonlinear dynamic response is analyzed using bifurcation plot, phase plane, power spectrum plot and poincaré map. in order to validate simulation results, experiments have been carried out. various nonlinear behaviors such as multi periodic and chaotic responses are observed, which are affected by the resistive load. also, the results show that a higher value of resistive load can lead to a wider range of periodic responses of the system. the results of this study can provide a methodology to optimize system parameters according to vibration conditions of different environments.