压电能量采集器-三维模型 COMSOL 6.0案例还原及 此模型介绍如何分析一个简单的、基于悬臂梁的压电能量采集器,其中向能量采集器施加了一个正弦加速度,计算了随频率、载荷阻抗及加速度大小变化的输出功率。
最近研究压电能量采集器,用COMSOL 6.0做了相关案例还原,和大家分享下其中的乐趣与门道。
一、压电能量采集器的原理
压电能量采集器基于压电材料的压电效应,简单说就是当压电材料受到机械应力时,会在材料两端产生电荷,从而实现机械能到电能的转换。在本次研究的基于悬臂梁的压电能量采集器里,悬臂梁的振动会让压电材料产生形变,进而输出电能。
二、COMSOL 6.0模型搭建
在COMSOL 6.0中搭建这个三维模型,步骤不算少但逻辑清晰。首先定义材料属性,压电材料如PZT - 5H,其压电常数、弹性常数等参数得准确设置。这部分在COMSOL里可以通过材料库调用相关参数,也可以手动输入数据。
text
// 假设这里通过手动输入部分关键压电常数
double d31 = -274e-12; // 单位:m/V,PZT - 5H的d31常数
double d33 = 593e-12; // 单位:m/V,PZT - 5H的d33常数
这里定义的d31和d33常数,分别对应压电材料在不同方向上的压电应变常数,在后续计算电场与应力应变关系时会用到。
接着设置几何结构,创建悬臂梁形状。可以通过COMSOL的几何建模工具,绘制出三维的悬臂梁。这里要注意尺寸比例准确,因为尺寸对悬臂梁的振动特性影响很大。
text
// 假设悬臂梁长度L,宽度W,厚度T
double L = 0.05; // 单位:m
double W = 0.01; // 单位:m
double T = 0.001; // 单位:m
这些尺寸参数在后续有限元分析计算模态、振动响应等都起着关键作用。
三、载荷与边界条件
向能量采集器施加一个正弦加速度,这是模拟实际应用中振动环境的关键。在COMSOL里,可以在"固体力学"模块中设置加速度载荷。
text
// 定义正弦加速度函数
Function a(t) = A*sin(omega*t);
double A = 10; // 加速度幅值,单位:m/s^2
double omega = 2*pi*f; // 角频率,f为频率
double f = 50; // 频率,单位:Hz
这段代码定义了一个随时间变化的正弦加速度函数,通过调整幅值A和频率f,可以模拟不同强度和频率的振动激励。

压电能量采集器-三维模型 COMSOL 6.0案例还原及 此模型介绍如何分析一个简单的、基于悬臂梁的压电能量采集器,其中向能量采集器施加了一个正弦加速度,计算了随频率、载荷阻抗及加速度大小变化的输出功率。
边界条件方面,悬臂梁一端固定,模拟实际安装情况。在COMSOL里,直接在固定端设置"固定约束"即可,限制该端所有方向的位移。
四、计算输出功率
本次案例重点计算了随频率、载荷阻抗及加速度大小变化的输出功率。在COMSOL里,通过多物理场耦合,将固体力学模块与静电模块连接起来,利用压电效应的本构关系来计算输出电压,进而得到输出功率。
text
// 计算输出功率的简化公式(假设已知输出电压V和载荷阻抗R)
double P = V*V/R;
这里通过简单的电学公式P = V² / R计算输出功率,实际在COMSOL中是通过复杂的数值计算得到准确的电压V值。通过改变频率、载荷阻抗及加速度大小这些参数,就能观察输出功率的变化情况,从而找到能量采集器的最优工作条件。
总的来说,通过COMSOL 6.0对压电能量采集器三维模型的模拟分析,能更深入理解其工作原理和性能特点,对实际应用中的设计优化有很大帮助。
