برداشت انرژی از تیر کامپوزیتی لایه‌ای دارای لایه پیزوالکتریک تحت ارتعاشات اجباری

Abstract

امروزه استفاده از مبدل پیزوالکتریک به دلیل قابلیت تبدیل انرژی محیطی همچون ارتعاشات مکانیکی به انرژی الکتریکی، کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده است. در یک سازه دارای لایه پیزوالکتریک، علاوه بر خصوصیات پیزوالکتریک، انتخاب خصوصیات بخش غیرپیزوالکتریکی سازه برداشت کننده انرژی نیز از اهمیت بالایی برخوردار است؛ بنابراین در پژوهش حاضر، تولید انرژی الکتریکی از ارتعاشات اجباری تیر کامپوزیتی با لایه پیزوالکتریک مورد بررسی قرارگرفته است. لذا در ابتدا، با استفاده از تئوری تیر اویلر-برنولی، معادلات حرکت سیستم به‌دست‌آمده و سپس با استفاده از روش کانتروویچ، روابط ولتاژ خروجی برای یک تیر کامپوزیتی دارای لایه پیزوالکتریک استخراج می‌گردند. جهت صحتسنجی، نتایج تحلیلی با نتایج حاصل از مدل‌سازی اجزای محدود مقایسه شده‌اند که خطای نسبی کمی را نشان می‌دهند. در ادامه تأثیر زاویه الیاف و نحوه چیدمان لایه‌های تیر کامپوزیتی دارای لایه پیزوالکتریک بر میزان برداشت انرژی بررسی‌شده است. مطابق با نتایج به‌دست‌آمده، با افزایش مدول الاستیسیته تیر کامپوزیتی و تأثیر آن بر نسبت میرایی سازه، میزان برداشت انرژی به مقدار قابل‌توجهی بهبود می‌یابد. همچنین در ادامه اثر ابعاد تیر کامپوزیتی، نسبت ضخامت تیر کامپوزیتی به ضخامت لایه پیزوالکتریک، مقدار جرم متمرکز و نسبت میرایی بر میزان برداشت انرژی بررسی شده است. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که با استفاده از مواد کامپوزیتی و با طراحی مناسب لایه‌چینی و زاویه الیاف در هر لایه، می‌توان مدول الاستیسیته معادل متفاوتی در تیر کامپوزیتی ایجاد نمود که درنتیجه، فرکانس طبیعی سیستم و میزان دامنه ولتاژ خروجی مدار هم ‌تغییر خواهد کرد.