بهینه‌سازی ابعادی برداشت کننده انرژی ارتعاشی پیزوالکتریک با استفاده از شبکه عصبی و الگوریتم ژنتیک

پذیرفته شده برای پوستر
کد مقاله : 1104-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
1دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
2دانشگاه صنعتی شریف
چکیده
با توجه به افزایش تقاضا برای انرژی پاک، منابع انرژی تجدیدپذیر در سال‌های اخیر توجه قابل‌توجهی را به خود جلب کرده‌اند. یکی از این منابع، انرژی ارتعاشی است که به دلیل هزینه کم و سازگاری با محیط‌زیست، گزینه‌ای مناسب برای کاربرد در ادوات کم‌مصرف نظیر حسگرها، عملگرها و تجهیزات هوشمند پوشیدنی به شمار می‌رود و در عین حال نیاز به استفاده از باتری را برطرف می‌سازد. در این پژوهش، تحلیل و بهینه‌سازی ابعادی یک برداشت‌کننده انرژی ارتعاشی پیزوالکتریک شامل یک تیر یک‌سرده مبتنی بر سیلیکون با جرم متصل در نوک آن مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور، تعداد ۴۸٬۰۰۰ داده با استفاده از روش اجزای محدود برای پیکربندی‌های هندسی مختلف تولید شد. پس از پالایش داده‌ها، از آن‌ها برای آموزش دو شبکه عصبی مجزا استفاده گردید؛ به‌طوری‌که یکی برای پیش‌بینی فرکانس طبیعی و دیگری برای برآورد ولتاژ خروجی به کار گرفته شد. سپس، یک الگوریتم ژنتیک با ۳۰۰ نسل بر روی این مدل‌های شبکه عصبی اعمال شد تا ابعاد بهینه تیر تعیین گردد. به‌منظور اعتبارسنجی نتایج بهینه‌سازی، از معادلات ارتعاش تیر اویلر–برنولی استفاده شد. نتایج نشان داد که الگوریتم ژنتیک مقدار شاخص شایستگی را از ۰٫۱۸۷ (بیشینه مقدار موجود در مجموعه داده اولیه) به ۰٫۲۵۱ برای طرح بهینه افزایش داده است. برای این ابعاد بهینه، فرکانس طبیعی و ولتاژ خروجی پیش‌بینی‌شده به‌ترتیب برابر با ۸۷٫۴ هرتز و ۰٫۲۳۷ ولت به دست آمد. مقادیر متناظر حاصل از معادلات ارتعاش تیر نیز ۸۴٫۹ هرتز برای فرکانس طبیعی و ۰٫۲۴۸ ولت برای ولتاژ خروجی بودند که بیانگر انطباق مناسب میان نتایج حاصل از روش اجزای محدود و معادلات تحلیلی است.
کلیدواژه ها
 
Title
Dimensional Optimization of a Piezoelectric Vibration Energy Harvester Using Neural Networks and Genetic Algorithm
Authors
Amirhossein ghafourian Hassan Zadeh, Abdolreza Pasharavesh, Mohammad Taghi Ahmadian
Abstract
Given the growing demand for clean energy, renewable energy sources have recently attracted significant attention. One such source is vibrational energy, which is inexpensive and environmentally friendly, making it suitable for low-power devices such as sensors, actuators, and wearable smart devices, while eliminating the need for batteries. This study focuses on the analysis and dimensional optimization of a piezoelectric vibration energy harvester consisting of a silicon-based cantilever beam with an attached tip mass. For this purpose, 48,000 data points were generated using the finite element method for various geometric configurations. After filtering, the data were used to train two separate neural networks: one for predicting the natural frequency and the other for estimating the output voltage. A genetic algorithm with 300 generations was then applied to these neural network models to determine the optimal beam dimensions. To validate the optimization results, the Euler–Bernoulli beam vibration equations were employed. The results show that the genetic algorithm increased the figure of merit from 0.187 (the maximum value among the initial data set) to 0.251 for the optimized design. For these optimal dimensions, the predicted natural frequency and output voltage were 87.4 Hz and 0.237 V, respectively. The corresponding values obtained from the beam vibration equations were 84.9 Hz for the natural frequency and 0.248 V for the output voltage. which demonstrates good agreement between the results of FEM and equations.
Keywords
Energy harvesting, Piezoelectric, Neural network, Genetic Algorithm