بررسی اثر تغییرات نمایی سطح مقطع بر ولتاژ خروجی برداشت کننده انرژی پیزو الکتریک با غیرخطینگی هندسی، اینرسی، ماده و میرایی

در این مقاله روابط الکترومکانیکی غیرخطی تیر برداشت کننده انرژی پیزو الکتریک با مقطع متغیر نمایی ارائه شده است تا تاثیر متغیر نمودن مقطع تیر پیزو الکتریک با تابع نمایی در استخراج توان بیشتر با وزن کمتر از برداشت کننده انرژی بررسی شود. بدین منظور غیرخطینگی‌های ماده، میرایی، اینرسی و هندسی در نظر گرفته شده است. در بدست آوردن معادلات حرکت فرضیه اویلر برنولی و تغییرات خطی ولتاژ در جهت ضخامت مد نظر گرفته شده است. معادلات حاکم با شکل مودهای متعامد تیر پیزو الکتریک با مقطع متغیر نمایی بهمراه جرم نوک جداسازی شده است. معادلات دیفرانسیل غیرخطی و کوپل حاکم با استفاده از روش مقیاس‌های چندگانه حل شده‌اند. ضریب میرایی تیر با استخراج تابع پاسخ فرکانسی شتاب نوک تیر به شتاب تحریک پایه از آزمایشی مناسب در حالت خطی و مدار اتصال کوتاه محاسبه شده است. برای شناسایی ضرایب غیرخطی ماده و صحه‌گذاری نتایج، شتاب تحریک شیکر افزوده شده است و در نتیجه آن دقت معادلات توسعه یافته مورد تایید قرار گرفته است. بمنظور بررسی اثر متغیر نمودن مقطع تیر بصورت نمایی در کارآیی برداشت کننده انرژی پیزو الکتریک، تاثیر طول، ضریب باریک شوندگی و شتاب تحریک مورد بررسی قرار گرفته است.

Investigation of the exponentially tapering effect on the behavior of piezoelectric energy harvester including geometric, inertial, material and damping nonlinearities

In this paper, the nonlinear electromechanical formulations of a piezoelectric energy harvester are proposed to investigate the effect of exponential tapering on generating more power with less mass from energy harvester. For this purpose, geometric, inertial, material and damping nonlinearities are included. The governing equations are derived using the EulerBernoulli and linear variation of electric voltage along the thickness assumptions. The coupled nonlinear equations are discretized by the mass normalized mode shapes of an exponentially tapered piezoelectric beam with tip mass, and resulting differential equations are solved employing the method of multiple scales. An experiment is set up, and the damping coefficient of the beam is calculated from the tip acceleration to base acceleration frequency response function in the case of low exciting acceleration and short circuit. Material nonlinear coefficients are identified using the experiment, when the exciting acceleration of the shaker is increased, and the proposed solution accuracy is verified. The effect of tapering exponentially on the behavior of the piezoelectric energy harvester is investigated by studying length, tapering parameter and exciting acceleration amplitude in some examples.