برداشت انرژی از تیر کامپوزیتی دارای لایه پیزوالکتریک

نیاز به تامین انرژی در مدارهای کم مصرف الکتریکی نظیر حس گرها، سامانه های بی سیم و ماهواره ها در سال های اخیر مورد توجه محققان زیادی قرارگرفته است. در میان منابع مختلف انرژی محیطی، ارتعاشات مکانیکی به دلیل رخداد آن در بسیاری از سازه های مکانیکی، کاربرد بسیاری پیداکرده است. از بین روش های گوناگون برداشت انرژی از ارتعاشات محیطی، روش استفاده از مبدل پیزوالکتریک به دلیل قابلیت ساخت آن در ابعاد مختلف، از روش های کارآمد برداشت انرژی است. اگرچه خصوصیات بخش غیرپیزوالکتریکی سازه برداشت کننده انرژی از اهمیت بالایی برخوردار است، تاکنون تحقیقی بر روی استفاده از مواد کامپوزیتی در این بخش از سازه انجام نشده است. بنابراین در تحقیق حاضر، تولید انرژی الکتریکی از ارتعاشات آزاد تیر کامپوزیتی با یک لایه پیزوالکتریک مورد بررسی قرار گرفته است. لازم به توضیح است که بسیاری از سازه های کامپوزیتی را می توان بصورت یک تیر فرض کرده و مورد تحلیل قرار داد. لذا در ابتدا، با فرض تیر اویلر-برنولی، معادلات حرکت سیستم به صورت تحلیلی به دست آمده و سپس با استفاده از روش کانتروویچ، فرکانس های طبیعی برای 3 مد اول ارتعاشی سیستم محاسبه شده اند و نتایج بصورت ولتاژ و جریان خروجی ارایه گردیده اند. در ادامه تاثیر زاویه الیاف و نحوه چیدمان لایه های تیر کامپوزیتی به همراه لایه پیزوالکتریک بر میزان برداشت انرژی بررسی شده است. جهت صحت سنجی، نتایج تحلیلی با نتایج حاصل از مدل سازی اجزای محدود مقایسه شده اند که خطای نسبی کمی را نشان می دهند. نتایج به دست آمده نشان می دهد که با استفاده از مواد کامپوزیتی و با طراحی مناسب لایه چینی و زاویه الیاف لایه ها می توان مدول الاستیسیته معادل متفاوتی در تیر کامپوزیتی ایجاد نمود که در نتیجه، فرکانس طبیعی سیستم و میزان برداشت انرژی هم تغییر خواهد کرد. مطابق نتایج بدست آمده، با افزایش مدول الاستیسیته تیر کامپوزیتی در راستای آن، میزان برداشت انرژی به مقدار قابل توجهی بهبود می یابد. بنابراین استفاده از مواد کامپوزیتی علاوه بر خواص مکانیکی برتر آن، برداشت انرژی مناسبی را نیز در مقایسه با مواد همسانگرد موجب می شوند