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Enhancing the Output Performance of Energy Harvesters Using Hierarchical Auxetic Structure and Optimization Techniques

辅助 多物理 能量收集 能量(信号处理) 计算机科学 压电 机械加工 材料科学 功率(物理) 机械工程 有限元法 结构工程 工程类 复合材料 数学 统计 物理 量子力学
作者
Qiang Gao,Yaping Lu,Yan Shi,Wei‐Hsin Liao,Guodong Yin,Junwei Li,Fujun Xiao,Rongxian Qiu
出处
期刊:IEEE Transactions on Industrial Electronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (9): 11641-11649 被引量:3
标识
DOI:10.1109/tie.2023.3331108
摘要

In this article, we proposed a novel piezoelectric energy harvester based on hierarchical auxetic structures to improve the power output. The auxetic structure can harvest more energy compared with a traditional flat energy harvester since the piezoelectric element in two directions can be stretched simultaneously due to the effects of the negative Poisson's ratio. Furthermore, the hierarchical auxetic structure can produce a smaller negative Poisson's ratio and deform more sufficiently to improve the energy harvesting efficiency. Therefore, the proposed hierarchical auxetic energy harvester (HAEH) can produce higher power than the normal reentrant auxetic one. A numerical model is established by employing COMSOL Multiphysics software to investigate the performance of the HAEH and verified by comparing it with the experimental results of the physical prototype fabricated by machining. In addition, an optimization framework based on a machine learning model and multiobjective nondominated sorting genetic algorithm optimization is developed to optimize the HAEH for better energy harvesting performance. The HAEH has a bright future for battery-free sensors in various engineering fields.

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