شماره ركورد
25911
شماره راهنما
MEC3 35
عنوان
مدلسازي و تحليل ارتعاشي سيستمهاي برداشتكننده انرژي پيزوالكتريك چندصفحهاي در محيطهاي سيالي
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك- طراحي كاربردي شاخه تخصصي مكانيك جامدات
دانشكده
فني و مهندسي
تاريخ دفاع
1404/12/24
صفحه شمار
192 ص .
استاد راهنما
عليرضا آريايي
كليدواژه فارسي
سيستم چندصفحهاي , اتصال كشساني , تئوري صفحه كيرشهف , برداشتكننده انرژي ارتعاشي , پهناي باند , ماده پيزوالكتريك , روش برداشت انرژي چند مودي , بستر ويسكوپاسترنك , فشارآكوستيك ناشي از جريان , برداشت انرژي پيزوالكتريكي , اتصال غيرخطي , روش تربيع تفاضلي
چكيده فارسي
تاثير فشار آكوستيك سيال به طور گسترده در حوزه برهمكنش سيال-سازه مورد بررسي واقع شده است؛ با اين حال، استعداد آن براي برداشت انرژي،كمتر مورد توجه بودهاست. اين رساله رويكرد جديدي را براي برداشت انرژي از اين فشار با استفاده از آرايهاي از صفحات پيزوالكتريك موازي فراهم ميكند. سيستم پيشنهادي، فشار آكوستيك را بين صفحات روي هم چيده شده محدود ميكند، جاييكه وصلههاي پيزوالكتريك ارتعاشات مكانيكي بهدست آمده را به انرژي الكتريكي تبديل ميكنند.
در اين رساله، ابتدا اثرات كوپلينگ غيرخطي ناشي از محيط آكوستيك به صورت تحليلي مدلسازي و معادلات حاكم با استفاده از اصل هميلتون استخراج ميشوند. در مرحله بعد با ادغام روش تربيع تفاضلي با روش گالركين بستري براي پيشبيني پاسخ حالت-پايدار سيستم تحت تحريك هارمونيك ايجاد ميشود.
به منظور ايجاد پايه و اساس براي اين مدل، ابتدا ساختاري متشكل از n صفحه موازي با اتصال الاستيك در نظر گرفته ميشود. رفتار ديناميكي سيستم توسط يك دستگاه از n معادله ديفرانسيل پارهاي ممزوج توصيف ميشود. از طريق يك تغيير متغير نوآورانه، اين معادلات از هم جدا ميشوند و به سيستمي از n صفحه مجزا كاهش مييابند. اين تبديل، امكان استفاده از روشهاي كارآمد حل تك صفحهاي را از طريق روش تربيع تفاضلي فراهم ميكند و بدين ترتيب پيچيدگي محاسباتي به طور قابل توجهي كاهش مييابد. اين مطالعه تاثير شرايط مرزي را بررسي ميكند.
در ادامه، با تكيه بر روشهاي برداشت انرژي چند مودي، يك مدل الكتروالاستيك نيمه تحليلي براي برداشتكننده چند صفحهاي پيزوالكتريك پيشنهاد ميشود. سيستم پيشنهادي متشكل از صفحات مستطيلي است كه با بستر ويسكو پاسترنك به يكديگر ممزوج شدهاند و هريك مجهز به يك وصله پيزوالكتريك است. مهمترين هدف اين مطالعه افزايش همزمان توان خروجي و پهناي باند است.
در مرحله نهايي، مدل جامع برهمكنش سازه-سيال مورد توجه قرار ميگيرد كه براي اطمينان از دقت، با مطالعات قبلي اعتبار سنجي ميشود. بدين منظور تجزيه و تحليلهاي پارامتري براي ارزيابي تاثير متغيرهاي كليدي طراحي، از جمله تعداد صفحات، ارتفاع گام، نسبت منظري، رسانايي الكتريكي و سرعت كانال جريان متوسط انجام ميشود. نتايج نشان ميدهد كه تنظيم سرعت جريان ميانگين بيبعد، هم باعث بهبود پهناي باند فركانسي و هم ولتاژ خروجي خواهد شد و بدين ترتيب كارايي برداشت انرژي بهينه خواهد شد.
اين كار مسيري اميدوار كننده براي بهره برداري از فشار آكوستيك سيال در كاربردهاي انرژي پايدار ارائه ميدهد.
كليدواژه لاتين
Multiple-plate system , Elastic connections , Kirchhoff plate theory , Vibration energy harvesters , Bandwidth , Piezoelectric material , multimodal energy harvesting technique , visco-Pasternak medium , Flow-induced acoustic pressure , Piezoelectric energy harvesting , nonlinear coupling , Differential Quadrature Method (DQM)
عنوان لاتين
Modeling and Vibration Analysis of Multiple Plate Piezoelectric Energy Harvester Systems in Fluidic Environments
گروه آموزشي
مهندسي مكانيك
چكيده لاتين
The influence of fluid acoustic pressure has been extensively investigated within the framework of Fluid-Structure Interaction (FSI); however, its potential for energy harvesting remains largely underutilized. This thesis introduces a novel approach for harvesting energy from flow-induced acoustic pressure using an array of parallel piezoelectric plates. The proposed system confines acoustic pressure between stacked plates, where piezoelectric patches convert the resulting mechanical vibrations into electrical energy.
The nonlinear coupling effects induced by the acoustic medium are analytically modeled, and the governing equations are derived using Hamilton’s principle. A semi-analytical framework is developed by integrating the Differential Quadrature Method (DQM) with Galerkin’s method to predict the system’s steady-state response under harmonic excitation.
To establish the foundation for this model, some preliminary investigations are required. First, a structure comprising n elastically connected, parallel rectangular plates is considered. The dynamic behavior of the system is described by a set of n coupled partial differential equations. Through an innovative variable transformation, these equations are decoupled, effectively reducing the problem to n independent plate systems. This transformation enables the application of efficient single-plate solution techniques via DQM, significantly reducing computational complexity. The original coupled system is then reconstructed using an inverse transformation. The study further explores the impact of boundary conditions, revealing that free-edge configurations can effectively tune the frequency range for optimal energy harvesting.
Second, building upon multimodal energy harvesting principles, a semi-analytical electroelastic model is proposed for the piezoelectric multi-plate harvester. The system consists of isotropic rectangular plates coupled through a visco-Pasternak foundation and integrated with piezoelectric patches. The primary objective is to simultaneously enhance power output and broaden the operational frequency bandwidth. The analogy between this simplified model and the full FSI system provides a robust foundation for accurate analysis and optimization.
The final stage of the study focuses on the comprehensive FSI model, validated against existing literature to ensure accuracy. Parametric analyses are conducted to assess the influence of key design variables, including the number of plates, pitch height, aspect ratio, electrical conductance, and mean flow channel velocity. Results demonstrate that tuning the dimensionless mean flow velocity significantly improves both frequency bandwidth and output voltage, thereby optimizing the system’s energy harvesting performance.
This work offers a promising pathway for leveraging fluid acoustic pressure in sustainable energy applications and contributes a novel methodology for efficient energy harvesting through piezoelectric FSI systems.
تعداد فصل ها
6
فهرست مطالب pdf
160856
نويسنده