Symulacje MES i weryfikacja doświadczalna piezoelektrycznego układu pozyskiwania energii

Nietłumione drgania często prowadzą do uszkodzeń części maszyn, pojazdów, układów mechanicznych, itd. Omawiany artykuł przedstawia możliwość wykorzystania drgań szkodliwych do pozyskiwania energii elektrycznej za pomocą elementów piezoelektrycznych. Stanowisko laboratoryjne składa się z belki wysięgnikowej wymuszanej bezwładnościowo umieszczonym na swobodnym końcu silnikiem elektrycznym z tarczą zamocowaną mimośrodowo na wale. Przemieszczenie pionowe i częstość drgań belki zmierzono wykorzystując platformę pomiarową pulse B&K.. Do pomiaru wartości napięcia generowanego przez każdą z aktywnych warstw generatorów piezoelektrycznych zastosowano zewnętrzną kartę pomiarową. Model MES zbudowano w programie ANSYS. Belkę, akcelerometr, silnik elektryczny, warstwy epoksydowe i piezoelektryczne podzielono na dwudziestowęzłowe elementy bryłowe. Węzły warstw piezoelektrycznych wyposażono w dodatkowe elektryczne stopnie swobody. Właściwości materiałowe zastosowane w modelu MES zmierzono w laboratorium bądź zaczerpnięto z materiałów producenta. Przeprowadzono badania laboratoryjne i symulacje numeryczne, a otrzymane wyniki zestawiono i porównano ze sobą. Zostały przedstawione i omówione wykresy czasowe napięcia generowanego przez poszczególne warstwy przetwornika.

---

Undamped vibrations usually cause damages of machines, rotor blades, cars etc. This article shows the use of harmful vibration using piezoelectric patches for energy harvesting. The laboratory stand consists of the cantilever beam excited by a harmonic movement of a mass eccentrically attached to an electric motor mounted on the free end. Using the B&K pulse platform with accelerometer there is an opportunity to measure a vertical displacement of the selected beam’s point and also the frequency of vibrations of the beam. The Portable Data Acquisition Module was used to measure the voltage generated by piezoelectric layers. The finite element method model has been built in the ANSYS software. Twenty node elements have been applied to the modeled beam, accelerometer, electric motor, epoxy layers and piezoelectric layers. Although piezoelectric elements have extra electric degree of freedom. Material parameters were measured or picked from the manufacturer’s brochure and applied into the FEM model. Laboratory tests and finite element method simulations have been made and acquired results have been compared. Characteristics of voltage in a time domain have been shown and discussed.