Advanced concepts of piezoelectric patch-based energy harvesting and locally resonant bandgap formation in thin plates

Piezoelektrik transdüserleri kullanarak enerji hasatlama, son on yılda, özellikle, yapı titreşimlerinin izlenmesi uygulamalarında kullanılan, kendi kendine çalışan gömülü aygıtlara enerji sağlamak amacıyla kullanılmakta ve böylece kullanılan pillerin bakım maliyetlerinin önemli bir miktarda düşmesini sağlamaktadır. Buna paralel olarak, araştırmacılar, esnek yapıların titreşimlerini etkin bir şekilde azaltmak için piezoelektrik şant sönümleme tekniğini kapsamlı bir şekilde kullanmaktadırlar. Daha yakın zamanda, şant sönümleme ile birlikte, lokal rezonansa sahip piezoelektrik yapılar, farklı rezonans bantlarında sönümleme oluşturmak için meta materyal tabanlı elektromekanik yapılar kapsamında kullanılmaktadır. Yukarıda verilen uygulamalara destek sağlamak amacıyla, bu çalışma, havacılık, uzay ve otomotiv endüstrilerinde yaygın olarak kullanılan ince levha benzeri yapılara, farklı şekillerde entegre edilen piezoelektrik yamaların, elektromekanik modellemesine odaklanmaktadır. Bu çalışmalar titreşim esaslı enerji hasatlama ve lokal rezonans frekans bantlarında sönümleme uygulamalarına odaklanmıştır. Literatürdeki titreşim esaslı enerji hasatlama çalışmaları çoğunlukla, taban titreşimden güç üreten piezo-seramik plakalardan oluşmuş dirsekli kirişler üzerinedir. Bu kiriş tabanlı hasatlayıcılara alternatif olarak, piezoelektrik yamalar plaka yapılara entegre edilerek, yapıların hacimsel miktarını önemli miktarda artırmadan, ana sistemin titreşim modlarını doğrudan kullanabilir ve böylece kompakt iki boyutlu enerji hasat sistemi olarak kullanılabilirler . Bu arada, pil veya kondansatör gibi depolama sistemlerini şarj etmek için kararlı bir DC elektrik sinyali gerekir. Bununla birlikte, kiriş ve levha benzeri hasatlayıclar ile ilgili yapılan çalışmaların çoğu, basit bir direnci harici bir elektrik yükü olarak kullanmaktadır. Genel olarak, elektrik alanındaki mevcut çalışmalar mekanik modelleri aşırı basitleştirirken, mekanik alan üzerindeki çalışmalar pratik elektrik devrelerini tam olarak modelleyememektedir. Bu tezin ilk kısmı, bu ihtiyaçları göz önüne alarak, elektriksel ve mekanik alanları tam olarak entegre etmek üzere, analitik ve sayısal modeller geliştirerek bu sorunları çözmeyi amaçlamaktadır. Tezin 2. bölümünde, ince levhadaki tek bir piezo-yama enerji hasatlayıcısı için çok-modlu eşdeğer devre modeli (ECM) devre denklemi ve elektromekanik denklem arasındaki benzetim kullanılarak geliştirilmiştir. Eşdeğer devre parametreleri, piezo-yama ile dikdörtgen plakanın analitik modal analiz çözümünden elde edilir ve iki yönlü elektromekanik bağlantının yanı sıra, ana yapının çoklu titreşim modlarını da hesaba katmaktadır. Bölüm 3'te, pratik hasat devresinin eşdeğer empedans yükünü, plakanın elektroelastik denklemlerine, çoklu piezo yama enerjisi hasatlayıcarıyla (MPEH'ler) entegre ederek eşdeğer empedans elektroelastik modeli geliştirilmiştir. Ayrıca, piezo-yamaların farklı bağlantıları (seri, paralel veya karışık seri-paralel konfigürasyonlar) ile uyumlu MPEH'ler için genelleştirilmiş bir ECM oluşturulmuştur. Son olarak, daha yüksek titreşim modlarında piezo-yama zıt akım işaretlerine bağlı olarak, yük iptallerinden kaçınmak için çözüm olarak ilgili bir düzeltme tekniği önerilmektedir. Tezin ikinci bölümünde, yerel plakalara entegre edilmiş lokal rezonanslı piezo-yamalar içeren iki boyutlu elektromekanik meta-materyaller için çalışmalar ve ilgili sonuçlar verilmiştir. Meta-materyal tabanlı mekanik yapılara benzer şekilde, rezonant şant devrelerine sahip birçok piezoelektrik eleman, ana yapıda, farklı rezonans bant frekanslarında sönümleme aralıkları oluşturmak için ince bir plakaya entegre edilebilir. Meta-material literatüründe, çoğu çalışma, birim hücrelerin tekrar tekrar bir araya getirerek, sonsuz bir yapı varsayımını kullanarak, yapının frekans bant aralıklarını modellemek için Bloch teoremini kullanmaktadır. Bununla birlikte, çoklu rezonatörler dizisiyle sonlu yapıların kullanıldığı lokal olarak rezonant metamatanyaların pratik olarak uygulanması için, rezonant piezoelektrik elemanların elektromekanik davranışı ile ana yapıya ait modal etkileşimi anlayabilmek için yüksek kalitede modellere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla, bölüm 4, frekans bant genişliği oluşumunu araştırmak için rezonant şant devrelerine bağlı sıralı piezo-yamaların ince bir plakaya entegre edildiklerinde, elektroelastik modellemesini detaylı bir şekilde anlatmaktadır. FRF yüzey grafikleri seramik ve tek kristaller gibi bir dizi piezoelektrik malzeme için incelenmiş; ayrıca hedeflenen frekans bant aralıklarında çok düşük bir titreşim miktarı gözlemlenmiştir. Son olarak da, bant aralıklarının farklı hedef frekanslarda oluştuğu ve boyutlarının piezo-yama kalınlığındaki artışla genişlediği de gösterilmiştir.