[发明专利]一种振动能量收集压电超材料薄板材料拓扑优化方法

说明书

本发明公开一种振动能量收集压电超材料薄板材料拓扑优化方法，该方法包括根据压电超材料薄板中晶胞单元，建立所述晶胞单元的有限元模型；根据所述有限元模型，得到所述晶胞单元的振动特征值方程；根据所述振动特征值方程，得到所述压电超材料薄板的第一振动带隙表达式；根据所述有限元模型、所述振动特征值方程和所述第一振动带隙表达式，构建所述晶胞单元材料拓扑优化的目标函数；根据所述目标函数，计算获得压电超材料薄板晶胞单元材料的最优布局。本发明提供的方法得到的第一带隙的宽度能实现最大化，在压电超材料薄板小尺寸下条件下实现宽带低频结构振动能量的高效收集。

技术领域

本发明涉及压电材料振动发电技术领域，尤其是一种振动能量收集压电超材料薄板材料拓扑优化方法。

背景技术

设计满足各种要求的传感监测系统并集成到结构内部，使得结构自身实现自传感、自诊断是结构健康监控(SHM)技术的一个重要发展趋势。特别是，基于微机电系统(MEMS)的SHM无线传感器网络因兼具MEMS和无线测控两种技术的优点，是目前重大工程SHM技术的重点研究方向。而如何为无线传感器节点提供长久可靠电能是SHM领域亟待解决的难题之一。随着无线传感器节点功耗越来越低，收集环境能量并转化为电能可以实现其自供电，其中尤以压电式振动能量收集受到关注最多，这是因为环境中振动普遍存在，且压电式振动能量收集的能量密度高、易于集成。因此，利用压电效应收集环境中的振动能量并转化为电能是实现无线传感器网络节点自供电的一种有效技术途径。

考虑到悬臂梁结构振动时能产生较大的变形，故目前国内外压电式振动能量收集大多采用悬臂梁压电振子结构，且其自由端放置一个质量块。但这种悬臂梁结构在实际应用中存在几个明显的不足：一是它需要额外的空间来放置质量块和夹持端；二是它的品质因子高，仅当与振动激励产生共振时才能最大能量，收集宽频振动能量的能力差；三是它的共振频率与长度成反比，需要增加长度才能收集低频振动能量。对于结构振动来说，它往往是不定向的且其能量很多是以弹性波的形式存在，并具有宽带、低频等特点，典型的比如机械结构、建筑结构等场合。从能量流的角度可知，为了提高振动能量收集效率，首要的是要保证结构振动能量尽可能多地作用在压电俘能结构上，这是传统悬臂梁压电振子结构所无法解决的。

近年来超材料在弹性波调控领域得到广泛应用，特别是其具有独特的带隙属性，可以使得频率在带隙范围内的弹性波被阻断传播，该机理恰恰为解决宽频结构振动能量收集问题提供了理论依据。采用的振动能量收集结构形式为压电超材料薄板，即在一个基体薄板上周期性地开孔并铺设压电材料，压电材料上再放置一个质量块构成一个局域共振单元，每个周期性单元称作晶胞单元。该结构形式的压电超材料薄板具有局域共振型的带隙，可以在小尺寸下实现宽带低频结构振动能量的高效收集。但同时，每个晶胞上的压电材料布局直接影响压电超材料薄板的带隙特性。为此，迫切需要对压电材料的布局进行优化设计，以增加第一带隙的宽度。

发明内容

本发明提供一种振动能量收集压电超材料薄板材料拓扑优化方法，用于克服现有技术中第一带隙的宽度不够等缺陷，在压电超材料薄板小尺寸下条件下实现宽带低频结构振动能量的高效收集。

为实现上述目的，本发明提出一种振动能量收集压电超材料薄板材料拓扑优化方法，包括：

根据压电超材料薄板中晶胞单元，建立所述晶胞单元的有限元模型；

根据所述有限元模型，得到所述晶胞单元的振动特征值方程；

根据所述振动特征值方程，得到所述压电超材料薄板的第一振动带隙表达式；

根据所述有限元模型、所述振动特征值方程和所述第一振动带隙表达式，构建所述晶胞单元材料拓扑优化的目标函数；

根据所述目标函数，计算获得压电超材料薄板晶胞单元材料的最优布局。

为实现上述目的，本发明还提出一种振动能量收集压电超材料薄板材料拓扑优化装置，包括：