« بازگشت

سجاد خراسانی

سجاد خراسانی


تاریخ انتشار : Publish : نسخه قابل چاپ Print

پایان­نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی- ارتعاشات و کنترل

 

عنوان:

مدل­سازی، تجزیه و تحلیل و بهینه‌سازی برداشت انرژی از ارتعاشات تیرهای مگنتواستریکتیو

 

استاد راهنما:

دکتر مهدي کریمي

 

استاد مشاور:

دکتر مصطفی غیور

 

اساتید داور:

دکتر علیرضا شوشتری

دکتر هاشم مظاهری

 

نگارش:

سجاد خراساني

 

تاریخ و مکان دفاع:

09/04/1395

آمفی تئاتر

 

 

 

چکیده:

نیاز به تامین انرژی مدارهای کم‌مصرف الکترونیکی نظیر سنسورها و سیستم‌های بی‌سیم در سال‌های اخیر مورد توجه محققان زیادی قرار گرفته است. وزن زیاد، عمر محدود باتری‌ها و همچنین مشکل تعویض آن‌ها، دلایل اصلی برای برداشت انرژی الکتریکی از منابع انرژی محیطی است. در میان منابع مختلف انرژی محیطی، ارتعاشات مکانیکی به دلیل در دسترس بودن، رواج زیادی پیدا کرده است. از بین تکنیک‌های گوناگون برداشت انرژی از ارتعاشات محیطی، روش مگنتواستریکتیو به دلیل داشتن ضریب کوپلینگ فوق‌العاده زیاد از روش‌های خوب برداشت انرژی است. مواد مگنتواستریکتیو در اثر اعمال میدان مغناطیسی تغییر شکل می‌دهند (اثر ژول) و یا اگر دچار تغییر شکل شوند، میدان مغناطیسی تولید می‌کنند (اثر ویلاری). متداول‌ترین وسیله برداشت‌کننده انرژی از ارتعاشات، تیر یکسرگیردار با یک یا چند لایه مگنتواستریکتیو است.

در کار حاضر، تولید انرژی الکتریکی از ارتعاشات تیر یکسرگیردار وصله‌دار اویلر-برنولی، با لایه مگنتواستریکتیو و یک کویل به دور آن و تحریک پایه بررسی می‌گردد. از رابطه حاکم بر یک تیر با جابجایی عرضی همراه با ﺗﺌﻭری تیر اویلر برنولی برای بدست آوردن روابط مکانیکی استفاده می‌گردد. برای بدست آوردن رابطه الکتریکی، از یک مدار ساده استاندارد AC مگنتواستریکتیو استفاده می‌شود که منجر به ایجاد رابطه‌ای کوپل با رابطه مکانیکی می‌گردد و با حل همزمان، رابطه‌ جریان خروجی بدست می‌آید. از روش ماتریس انتقال برای پیش‌بینی‌ دقیق فرکانس طبیعی و شکل مود برای تیر یکنواخت و غیریکنواخت استفاده می‌شود.

اثر افزودن جرم انتهایی به مدل نیز بررسی گردیده است. شبیه‌سازی ﺗﺌوری جرم انتهایی متصل در حالت تکمرف نشان از افزایش 3/58% جریان تولیدی و کاهش 6/85% در فرکانس طبیعی دارد. همچنین روابط برای حالت دومرف بسط داده شده است. برای مورد انجام شده، جریان خروجی در هر دو حالت موازی و سری بایمرف، کمتر از جریان تولیدی در حالت تکمرف بدست آمده است که نشان‌ می‌دهد عملکرد حالت تکمرف بهتر از حالت بایمرف در این مواد می‌باشد. درنهایت، اثرات پارامترهای مختلف هندسی در طیف وسیعی از بارهای مقاومتی روی توان خروجی بررسی شده است.

Abstract:

In recent years, the need for low power electronic circuits like sensors and wireless systems has been considered by many researchers. Excessive weight, limited lifetime of the batteries and also the problem of replacing them, are the main reasons for harvesting energy from ambient vibrations. Among the various sources of environmental energy, mechanical vibrations have gained in popularity due to their availability. Between the different techniques of ambient vibration energy harvesting, magnetostrictive method, is one of the good ways to harvest energy due to the effects of ultra-high coupling coefficient. Magnetostrictive material deform when exposed to magnetic field (Joule effect) and or if deform then produce magnetic field (Villari effect). The most common means of harvesting energy from vibrations is a cantilevered beam with one or more magnetostrictive layers.

 

In the present work, electrical energy harvesting from Euler-Bernoulli segment cantilevered unimorph beam with a magnetostrictive layer wound by a pick-up coil and base excitation has been considered. From the relation of the beam with lateral motion with Euler-Bernoulli beam theory is used to obtain the mechanical relations. To obtain the electrical relation, a simple AC standard magnetostrictive circuit is used that leads to a relation which is coupled with the mechanical relation and with the simultaneous solution, the relation for current output is obtained. A transfer matrix method is used for accurate predictions of the natural frequencies and mode shapes of the uniform and non-uniform beam.

 

 Effect of addition of a tip mass to the model is examined. Theoretical simulation of a tip mass attached to  unimorph state showed an increase of 58.3% of production current and reduce of 85.6% in natural frequency. Also the relations has been developed for the bimorph state. For the tested case, current output in both parallel and series of bimorph, less than the current output in unimorph state which indicate that the performance of unimorph state is better than bimorph state in this material. Finally, the effects of various geometric parameters in a wide range of resistive loads on power output is investigated.

 

 

رزومه

 1- مشخصات فردی:

نام: سجاد    نام خانوادگی: خراسانی            تاريخ تولد: 13/12/1369                      وضعيت تاهل: مجرد                نحوه ارتباط:  09189681676