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Multiple-Scale Analysis of a Tunable Bi-Stable Piezoelectric Energy Harvester

悬臂梁 弹簧(装置) 能量收集 压电 刚度 联轴节(管道) 材料科学 工作(物理) 激发 变形(气象学) 运动方程 弹簧系统 电压 结构工程 声学 机械 能量(信号处理) 机械工程 工程类 物理 复合材料 经典力学 电气工程 量子力学
作者
Feng Qian,Nicole Abaid,Lei Zuo
出处
期刊:ASME letters in dynamic systems and control [ASME International]
卷期号:1 (2) 被引量:6
标识
DOI:10.1115/1.4046961
摘要

Abstract This paper presents the theoretical modeling and multiple-scale analysis of a novel piezoelectric energy harvester composed of a metal cantilever beam, piezoelectric films, and an axial preload spring at the moveable end. The harvester experiences mono- and bi-stable regimes as the stiffness of preload spring increases. The governing equations are derived with two high-order coupling terms induced by the axial motion. The literature shows that these high-order coupling terms lead to tedious calculations in the stability analysis of solutions. This work introduces an analytical strategy and the implementation of the multiple-scale method for the harvester in either the mono- or bi-stable status. Numerical simulations are performed to verify the analytical solutions. The influence of the electrical resistance, excitation level, and the spring pre-deformation on the voltage outputs and dynamics are investigated. The spring pre-deformation has a slight influence on the energy harvesting performance of the mono-stable system, but a large effect on that of the bi-stable system.

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