任俞杰 宋微 王素玲 何陽

摘 ?要：針對車在行駛過程中能量回收的問題，根據(jù)壓電陶瓷的壓電效應，提出一種新型的汽車振動能量回收的裝置。通過有限元分析軟件建立路面不平度模型，并得到作用在座椅處的載荷和振幅，獲得壓電材料的最佳安裝位置，同時通過對壓電材料的不同截面形狀進行分析，獲得最高的振動能量回收效率。

關鍵詞：能量回收;壓電陶瓷;有限元分析

中圖分類號：U469.72 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）28-0066-02

Abstract： In order to solve the problem of energy recovery during vehicle driving， a new type of vehicle vibration energy recovery device is proposed according to the piezoelectric effect of piezoelectric ceramics. The pavement roughness model is established by finite element analysis software， and the load and amplitude acting on the seat are obtained， and the best installation position of piezoelectric material is obtained. At the same time， the different cross-section shapes of piezoelectric material are analyzed. The highest vibration energy recovery efficiency is obtained.

Keywords： energy recovery; piezoelectric ceramics; finite element analysis

1 概述

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對汽車的性能要求也越來越高。汽車座椅作為體現(xiàn)汽車舒適度的主要部分，其功能越來越多也越來越人性化。但是由于其電力消耗大，在節(jié)約能源，提高能源利用率方面存在很大缺陷。[1]因此我們迫切需要對汽車座椅壓電裝置進行改造。壓電發(fā)電機是一種基于壓電材料的正逆壓電效應的新型機構，其最大的特點是可以將外界的能量俘獲并轉變成電能[2]。本文的主要研究內容是如何在現(xiàn)有汽車環(huán)境中，在盡量不增加車載附加質量的前提下，將行駛過程中的振動能量回收效率最大化。

2 能量回收裝置有限元分析

汽車座椅在使用過程不可避免會受到很大的振動和沖擊，為了了解汽車座椅在真實環(huán)境下的工作狀況，必須對其進行隨機振動模擬。首先利用ANSYS軟件對汽車座椅簡化后的模型進行模態(tài)分析，通過分析可知最大位移發(fā)生在汽車座椅與地板的鏈接處，即彈簧與座椅的連接處。在完成模態(tài)分析的基礎上，對汽車座椅進行隨機振動分析。通過分析得到隨機振動時汽車座椅1？滓變形分布，最大變形發(fā)生在汽車座椅與地板之間的連接處。正好符合將壓電材料放在變形最大處的理念。汽車座椅的材料為Q235號鋼，振動載荷的安全系數(shù)n為1.2～1.35，對汽車座椅的強度進行校核。

？滓max·n？燮[？滓] （1）

式中：[？滓]為許用應力;？滓max為計算應力;n為安全系數(shù);將數(shù)據(jù)帶入公式中得1.35×32.442=43.797Mp？芻235Mp，滿足設計要求。

3 壓電裝置數(shù)學模型

本次對壓電材料分析采取懸臂梁式結構，兩個壓電陶瓷片分別通過耐高溫膠水粘在金屬片的上下表面上，壓電陶瓷之間的連接方式可以采用串聯(lián)或者并聯(lián)，圖1為懸臂梁式壓電振子的結構示意圖。

分別對不同截面（三角形、矩形、梯形）的壓電材料進行數(shù)學模型的建立并分析，假設其厚度相同，矩形的長度和寬度分別為h、b，梯形的上底為a，下底為b，高為h，三角形的底為b，高為h。壓電材料選擇壓電陶瓷。在對壓電陶瓷進行ANSYS分析時，將矩形的一端寬度固定不變，另一端寬度逐漸縮小，縮小到a時為梯形，縮小到0時為三角形，進行壓電分析。

將三種不同形狀的懸臂梁壓電振子在相同振動激勵下沿長度方向的應變數(shù)據(jù)帶入Matlab軟件中得到應變輸出圖，可知，在相同條件下，三角形懸臂梁壓電振子所受的應變最大，梯形次之，矩形懸臂梁壓電振子的應變最小，因此，在同等條件下，三角形懸臂梁壓電振子具有很好的應變分布均勻性，從而產生更高的電壓，更有利于提高振動能量俘獲的效率。

4 有限元仿真分析

本文采用有限元分析軟件ANSYS對雙晶壓電懸臂梁進行仿真分析。首先建立三種不同截面形狀的有限元模型，兩個壓電陶瓷片之間的基板選擇彈性模量比較大的45鋼，這樣可以使壓電振子承受更大的變形。壓電陶瓷的型號選擇PZT-5H。壓電振子的激勵方式選定為慣性自由振動式，其對應的懸臂梁壓電振子的邊界條件為一端固定，一端自由夾持[6]。在ANSYS軟件中，Solid5、Solid98和plane13單元可以用做壓電材料仿真，Solid5單元三維耦合場實體，Solid98單元是四面體耦合場實體，plane13單元是二維耦合場實體。在這里采用Solid5更適合雙晶壓電懸臂梁的建模，金屬板采用Solid45單元，忽略粘結層的影響，并假設壓電陶瓷和金屬板之間的力與位移是連續(xù)的。

對不同截面形狀的懸臂梁壓電振子進行ANSYS分析，可以得到不同截面形狀的壓電振子是不同的，三角形的輸出電壓最大，梯形次之，矩形最小。

5 結論

通過對三角形，梯形和矩形截面的懸臂梁壓電振子建立數(shù)學模型，并對其發(fā)電能力進行數(shù)值模擬與有限元分析。研究結果表明，數(shù)值分析與有限元分析的結果吻合。在使用相同的壓電材料情況下，三角形壓電振子的發(fā)電輸出特性最大，約是矩形懸臂梁壓電振子的3倍，梯形懸臂梁壓電振子的發(fā)電輸出特性次之，矩形懸臂梁壓電振子的發(fā)電輸出特性最差。

參考文獻：

[1]周萬清.吉林省能源利用與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展研究[D].吉林大學，2009.

[2]曾平，劉艷濤，吳博達.一種新型壓電式無線發(fā)射裝置[J].吉林大學學報：工學版，2006（S2）：78-82.

[3]羅洪波.壓電發(fā)電在汽車輪胎報警器上的應用基礎研究[D].吉林大學，2008.

[4]尤藝.壓電式低頻環(huán)境振動能量采集裝置的研究[D].太原理工大學，2015.

[5]付穌昇.ANSYSWorkbench17.0數(shù)值模擬與實例精解[M].北京：人民郵電出版社，2017，12：130-131.

[6]劉鴻文.材料力學[M].高等教育出版社，2010：175-180.