Mô hình lắp nối tiếp của bộ thu năng lượng áp điện kiểu xếp chồng với phần tử đàn hồi và phần tử cản

Bài báo "Mô hình lắp nối tiếp của bộ thu năng lượng áp điện kiểu xếp chồng với phần tử đàn hồi và phần tử cản" tập trung vào việc xây dựng hệ phương trình liên kết cơ-điện cho tổ hợp của bộ thu năng lượng áp điện kiểu xếp chồng lắp nối tiếp với lò xo hoặc giảm chấn, dưới dạng hệ phương trình vi phân thường, giúp cho việc tính toán phân tích các đáp ứng của hệ được đơn giản hơn. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô hình lắp nối tiếp của bộ thu năng lượng áp điện kiểu xếp chồng với phần tử đàn hồi và phần tử cản 115 Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ XI, Hà Nội, 02-03/12/2022 Mô hình lắp nối tiếp của bộ thu năng lượng áp điện kiểu xếp chồng với phần tử đàn hồi và phần tử cản Nguyễn Ngọc Linh1,* 1 Khoa Cơ khí, Trường đại học Thủy lợi *Email: nnlinh@tlu.edu.vn Tóm tắt. Bộ thu năng lượng áp điện kiểu xếp chồng tích hợp trên hệ thống treo của các phương tiện vận tải hay bệ đỡ của thiết bị máy để chuyển đổi năng lượng dao động thành điện năng, nhằm mục đích cấp nguồn cho các cảm biến hay cơ cấu chấp hành công suất thấp. Về mặt cơ khí, có hai kiểu lắp cơ bản là lắp song song và lắp nối tiếp với các phần tử cơ khí là lò xo và/hoặc giảm chấn. Mô hình hóa cho các tổ hợp như vậy thường dẫn tới một hệ phương trình vi phân đại số, có thể phức tạp trong việc xác định các đáp ứng dưới dạng giải tích. Vì vậy, bài báo này tập trung vào việc xây dựng hệ phương trình liên kết cơ-điện cho tổ hợp của bộ thu năng lượng áp điện kiểu xếp chồng lắp nối tiếp với lò xo hoặc giảm chấn, dưới dạng hệ phương trình vi phân thường, giúp cho việc tính toán phân tích các đáp ứng của hệ được đơn giản hơn. Từ khóa: bộ thu năng lượng áp điện kiểu xếp chồng, mô hình Maxwell, mô hình Kelvin-Voigt.1. Giới thiệu Bộ thu năng lượng áp điện kiểu xếp chồng (piezoelectric stack energy harvester-PSEH) được sửdụng để chuyển đổi năng lượng dao động thành điện năng dựa trên hiệu ứng áp điện thuận dạng d33 ,khi tác dụng lực dọc trục phần tử áp điện sẽ sinh ra điện áp. Mô hình hóa quan hệ giữa lực áp dụng vàđiện áp được mô tả bởi các phương trình chủ đạo, hay còn gọi là các phương trình liên kết cơ-điện. Cácphương trình này có thể được biểu diễn thông qua quan hệ giữa ứng suất-nạp điện hay biến dạng-nạpđiện. Trong các nghiên cứu trước đây, có một số mô hình cho PSEH được đề xuất và phát triển. Môhình tuyến tính tổng quát được công bố bởi ủy ban tiêu chuẩn của IEEE [1] là một trong những cơ sởđược sử dụng phổ biến để mô hình hóa cho cảm biến và cơ cấu chấp hành. Mô hình một bậc tự do(SDOF) có xét tới hiện tượng trễ được đề xuất bởi Goldfarb và Celanovic [2], sau đó được phát triểnbởi Adriaens và cộng sự [3], Gu và cộng sự [4]. Mô hình tham số phân bố của PSEH chịu kích độngtuần hoàn và ngẫu nhiên được Qian và cộng sự nghiên cứu trong [5]. Cơ cấu chấp hành với phần tử ápđiện kiểu xếp chồng chịu ứng suất trước được mô hình hóa bởi Jiang và Cheng [6] dựa trên phươngpháp ma trận truyền. Một số đánh giá tổng quan về mô hình hóa và áp dụng của PSEH được trình bàytrong [7], [8], [9]. Trong số các mô hình nêu trên, mô hình động lực học SDOF [2], [4] thường được sửdụng vì có đủ độ chính xác và dễ áp dụng, trong đó phần tử áp điện được coi là một hệ khối lượng – lòxo – cản tương đương. Dựa trên cách tiếp cận này, hệ phương trình liên kết cơ điện của PSEH cho phépước lượng một cách thuận tiện điện áp và công suất đầu ra của điện năng được chuyển đổi. Về mặt ứng dụng, Caliò và cộng sự [10] đánh giá cấu trúc d33 phù hợp với các ứng dụng như hệthống treo của ô tô hay bệ đỡ của thiết bị máy vì tạo ra công suất điện cao hơn so với cấu trúc d31 . Đểtích hợp PSEH với hệ thống treo, có hai kiểu lắp cơ bản là lắp song song và lắp nối tiếp với lò xo và/hoặcgiảm chấn của hệ thống treo. Một vấn đề cần lưu ý là hệ số cản hay hệ số độ cứng của hệ thống treothường đã tối ưu theo một chỉ tiêu xác định, chẳng hạn như gia tốc thân xe, cho nên việc tích hợp thêmPSEH cần đảm phù hợp với tính chất động lực học sẵn có của hệ thống treo đó. Thêm nữa, độ cứng củahệ thống treo thường không lớn để đảm bảo tính êm dịu chuyển động, trong khi đó độ cứng của PSEHthường khá lớn, do đó mô hình lắp song song có độ cứng tương đương của hệ là tổng độ cứng của haiphần tử này sẽ lớn nên không phù hợp về mặt kỹ thuật. Thay vào đó, mô hình lắp nối tiếp sẽ phù hợphơn, vì độ cứng tương đương của hệ có thể xấp xỉ gần bằng độ cứng lò xo hệ thống treo [11]. Không 116 Tên tác giảgiống như nghiên cứu của Xiao và cộng sự [12], Al-Yafeai và cộng sự [13], vốn không xét tới độ cứngcủa PSEH, Hendrowati và cộng sự [14] có xét tới độ cứng của phần tử áp điện xếp chồng trong tínhtoán, tuy nhiên hệ phương trình liên kết cơ-điện là hệ phương trình vi phân đại số, cho nên khá phức tạptrong việc tính toán phân tích các đáp ứng dưới dạng giải tích. Vì những lí do nêu trên, bài báo nhằm mục đích xây dựng mô hình tương đương của tổ hợp PSEHlắp nối tiếp với các phần tử đàn hồi hay phần tử cản, sao cho đơn ...