任俞杰 宋微 王素玲 何阳

摘  要：针对车在行驶过程中能量回收的问题，根据压电陶瓷的压电效应，提出一种新型的汽车振动能量回收的装置。通过有限元分析软件建立路面不平度模型，并得到作用在座椅处的载荷和振幅，获得压电材料的最佳安装位置，同时通过对压电材料的不同截面形状进行分析，获得最高的振动能量回收效率。

关键词：能量回收;压电陶瓷;有限元分析

中图分类号：U469.72       文献标志码：A         文章编号：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

隨着汽车行业的迅猛发展，人们对汽车的性能要求也越来越高。汽车座椅作为体现汽车舒适度的主要部分，其功能越来越多也越来越人性化。但是由于其电力消耗大，在节约能源，提高能源利用率方面存在很大缺陷。[1]因此我们迫切需要对汽车座椅压电装置进行改造。压电发电机是一种基于压电材料的正逆压电效应的新型机构，其最大的特点是可以将外界的能量俘获并转变成电能[2]。本文的主要研究内容是如何在现有汽车环境中，在尽量不增加车载附加质量的前提下，将行驶过程中的振动能量回收效率最大化。

2 能量回收装置有限元分析

汽车座椅在使用过程不可避免会受到很大的振动和冲击，为了了解汽车座椅在真实环境下的工作状况，必须对其进行随机振动模拟。首先利用ANSYS软件对汽车座椅简化后的模型进行模态分析，通过分析可知最大位移发生在汽车座椅与地板的链接处，即弹簧与座椅的连接处。在完成模态分析的基础上，对汽车座椅进行随机振动分析。通过分析得到随机振动时汽车座椅1？滓变形分布，最大变形发生在汽车座椅与地板之间的连接处。正好符合将压电材料放在变形最大处的理念。汽车座椅的材料为Q235号钢，振动载荷的安全系数n为1.2～1.35，对汽车座椅的强度进行校核。

？滓max·n？燮[？滓] （1）

式中：[？滓]为许用应力;？滓max为计算应力;n为安全系数;将数据带入公式中得1.35×32.442=43.797Mp？刍235Mp，满足设计要求。

3 压电装置数学模型

本次对压电材料分析采取悬臂梁式结构，两个压电陶瓷片分别通过耐高温胶水粘在金属片的上下表面上，压电陶瓷之间的连接方式可以采用串联或者并联，图1为悬臂梁式压电振子的结构示意图。

分别对不同截面（三角形、矩形、梯形）的压电材料进行数学模型的建立并分析，假设其厚度相同，矩形的长度和宽度分别为h、b，梯形的上底为a，下底为b，高为h，三角形的底为b，高为h。压电材料选择压电陶瓷。在对压电陶瓷进行ANSYS分析时，将矩形的一端宽度固定不变，另一端宽度逐渐缩小，缩小到a时为梯形，缩小到0时为三角形，进行压电分析。

将三种不同形状的悬臂梁压电振子在相同振动激励下沿长度方向的应变数据带入Matlab软件中得到应变输出图，可知，在相同条件下，三角形悬臂梁压电振子所受的应变最大，梯形次之，矩形悬臂梁压电振子的应变最小，因此，在同等条件下，三角形悬臂梁压电振子具有很好的应变分布均匀性，从而产生更高的电压，更有利于提高振动能量俘获的效率。

4 有限元仿真分析

本文采用有限元分析软件ANSYS对双晶压电悬臂梁进行仿真分析。首先建立三种不同截面形状的有限元模型，两个压电陶瓷片之间的基板选择弹性模量比较大的45钢，这样可以使压电振子承受更大的变形。压电陶瓷的型号选择PZT-5H。压电振子的激励方式选定为惯性自由振动式，其对应的悬臂梁压电振子的边界条件为一端固定，一端自由夹持[6]。在ANSYS软件中，Solid5、Solid98和plane13单元可以用做压电材料仿真，Solid5单元三维耦合场实体，Solid98单元是四面体耦合场实体，plane13单元是二维耦合场实体。在这里采用Solid5更适合双晶压电悬臂梁的建模，金属板采用Solid45单元，忽略粘结层的影响，并假设压电陶瓷和金属板之间的力与位移是连续的。

对不同截面形状的悬臂梁压电振子进行ANSYS分析，可以得到不同截面形状的压电振子是不同的，三角形的输出电压最大，梯形次之，矩形最小。

5 结论

通过对三角形，梯形和矩形截面的悬臂梁压电振子建立数学模型，并对其发电能力进行数值模拟与有限元分析。研究结果表明，数值分析与有限元分析的结果吻合。在使用相同的压电材料情况下，三角形压电振子的发电输出特性最大，约是矩形悬臂梁压电振子的3倍，梯形悬臂梁压电振子的发电输出特性次之，矩形悬臂梁压电振子的发电输出特性最差。

参考文献：

[1]周万清.吉林省能源利用与经济可持续发展研究[D].吉林大学，2009.

[2]曾平，刘艳涛，吴博达.一种新型压电式无线发射装置[J].吉林大学学报：工学版，2006（S2）：78-82.

[3]罗洪波.压电发电在汽车轮胎报警器上的应用基础研究[D].吉林大学，2008.

[4]尤艺.压电式低频环境振动能量采集装置的研究[D].太原理工大学，2015.

[5]付稣昇.ANSYSWorkbench17.0数值模拟与实例精解[M].北京：人民邮电出版社，2017，12：130-131.

[6]刘鸿文.材料力学[M].高等教育出版社，2010：175-180.