于健业,李安庆

齐鲁工业大学(山东省科学院) 机械与汽车工程学院,济南 250353

随着便携式电子设备和无线传感器的快速发展,如何为这些低能耗的微电子器件供电成为当前人们关注的热点。微俘能器能直接俘获环境能量转换为电能,实现微电子器件的自供电,从而引起了人们广泛兴趣[1-2]。目前,人们基于压电效应开展了大量的俘能器研究工作,实现了以振动为基础的机械能到电能的转换[3-4]。然而,压电效应仅存在于非中心对称介电材料。同时,具有大压电系数的材料通常是铁电体,使得压电装置表现出迟滞和非线性行为,并且只能工作于居里温度以下[5]。这限制了压电俘能器的应用。

本文综合考虑尺寸效应、阻尼和质量块等因素的影响,建立挠曲电悬臂梁的动力学理论模型,对挠曲电悬臂梁的动态响应特性进行理论研究,分析材料特性、特征尺寸和质量块等因素对俘能器输出功率和能量转换效率的影响规律,为挠曲电俘能器的设计、优化和应用提供理论依据。

1 挠曲电理论

1.1 各向同性挠曲电理论

微尺度下,应变梯度的影响趋于明显。不仅能够解释微构件力学性能的尺寸效应,而且在介电体中能够诱导明显极化,表现出挠曲电效应。挠曲电理论能够描述介电体具有尺寸依赖性的力电耦合现象,其内能密度函数表达为

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应变张量和应变梯度张量分别定义为

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其中,ui为位移矢量。应变梯度张量ηijk的3个分量分别定义为

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与应变……