بررسی عددی و تجربی یک ساختار هیبریدی اگزتیک جدید جهت افزایش برداشت انرژی با استفاده از پیزوالکتریک
پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1108-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
1دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تربیت مدرس
2دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه تربیت مدرس
3عضو هیئت علمی دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
در این پژوهش، دو ساختار آگزتیک نوین برای برداشت انرژی ارتعاشی در بازههای فرکانسی پایین معرفی میشود. هندسه آگزتیک با نسبت پواسون منفی، تحت بارگذاری مکانیکی کرنشهای همجهت با تنش ایجاد میکنند که این ویژگی برای افزایش بازده برداشت انرژی مؤثر است. در سامانه پیشنهادی، حسگر پیزوالکتریک بر روی تیر آگزتیک چاپشده از پلیلاکتیکاسید نصب گردیده تا پاسخ مکانیکی به سیگنال الکتریکی تبدیل شود. آزمایشهای تجربی برای تعیین ویژگیهای ارتعاشی و الکتریکی انجام شد و نتایج با مدل اجزای محدود سهبعدی در نرمافزار کامسول مقایسه و اعتبارسنجی گردید. عملکرد هندسههای پیشنهادی با ساختار ساده (i) ارزیابی شد. نتایج اعتبارسنجی حداکثر خطای ٪8/57 در فرکانس طبیعی و ٪ 2/09 در حساسیت ولتاژ را نشان میدهد. بررسی عددی سه سلول در شرایط یکسرگیردار و بازه ۰الی۳۰۰ هرتز، برتری سلول آگزتیک (iii) با حداکثر ولتاژ 4/61 ولت (در ۴۵ هرتز) را تأیید میکند که نسبت به سلول (ii) حدود ٪ 4/45 و نسبت به سلول (i) بیش از 9/7 برابر ولتاژ بیشتری تولید مینماید. این یافتهها پتانسیل ساختارهای آگزتیک در بهبود کارایی سامانههای برداشت انرژی ارتعاشی در فرکانسهای پایین محیطی را برجسته میسازد.
کلیدواژه ها
Title
Numerical and Experimental Investigation of a Novel Hybrid Auxetic Structure for Enhanced Piezoelectric Energy Harvestin
Authors
Morteza Karmooz Mahdiabadi, Seyyed Amirhossein Ebadzadeh, Sina Doostali livari, Amin Farrokhabadi
Abstract
In this study, two novel auxetic structures are proposed for vibration-based energy harvesting within low-frequency ranges. Auxetic geometries, characterized by a negative Poisson’s ratio, generate strain in the same direction as the applied stress under mechanical loading, a feature that can be effectively utilized to enhance energy-harvesting efficiency. In the proposed system, a piezoelectric sensor is mounted on an auxetic beam fabricated from polylactic acid (PLA) via additive manufacturing, enabling conversion of the mechanical response into an electrical signal.
Experimental tests were conducted to determine the vibrational and electrical characteristics of the system, and the results were compared and validated against a three-dimensional finite element model (FEM) developed in COMSOL Multiphysics. The performance of the proposed geometries was also evaluated relative to a simple baseline structure (i). Validation results indicated a maximum error of 8.57% in the natural frequency and 2.09% in voltage sensitivity, confirming excellent agreement between the numerical and experimental results. Numerical analyses of three cells under cantilever boundary conditions in the 0–300 Hz range demonstrated the superior performance of the auxetic cell (iii), which achieved a maximum output voltage of 4.61 V at 45 Hz—approximately 4.45% higher than cell (ii) and over 9.7 times greater than cell (i). These findings underscore the high potential of auxetic structures for significantly enhancing the efficiency of vibration-based piezoelectric energy harvesting systems operating in low-frequency ambient environments.
Experimental tests were conducted to determine the vibrational and electrical characteristics of the system, and the results were compared and validated against a three-dimensional finite element model (FEM) developed in COMSOL Multiphysics. The performance of the proposed geometries was also evaluated relative to a simple baseline structure (i). Validation results indicated a maximum error of 8.57% in the natural frequency and 2.09% in voltage sensitivity, confirming excellent agreement between the numerical and experimental results. Numerical analyses of three cells under cantilever boundary conditions in the 0–300 Hz range demonstrated the superior performance of the auxetic cell (iii), which achieved a maximum output voltage of 4.61 V at 45 Hz—approximately 4.45% higher than cell (ii) and over 9.7 times greater than cell (i). These findings underscore the high potential of auxetic structures for significantly enhancing the efficiency of vibration-based piezoelectric energy harvesting systems operating in low-frequency ambient environments.
Keywords
auxetic structure, Energy harvesting, Piezoelectric, Experimental testing