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Enregistrement W3027719969 · doi:10.1080/19475411.2020.1751743

Performance enhancement of cantilever piezoelectric energy harvesters by sizing analysis

2020· article· en· W3027719969 sur OpenAlexafffund
Peyman Hajheidari, Ion Stiharu, Rama Bhat

Notice bibliographique

RevueInternational Journal of Smart and Nano Materials · 2020
Typearticle
Langueen
DomaineEngineering
ThématiqueInnovative Energy Harvesting Technologies
Établissements canadiensConcordia University
Organismes subventionnairesConcordia UniversityCanadian Network for Research and Innovation in Machining Technology, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada
Mots-clésSizingPiezoelectricityCantileverEnergy harvestingMaterials scienceAcousticsEnergy (signal processing)Composite materialPhysicsChemistryMathematicsStatistics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

This paper presents the results of the performance of piezoelectric cantilever beams in relation to their size. The total produced power represents the main indicator of performance of a piezoelectric harvesting system while the area of the beams stays constant. Lightweight design is an important aspect in any industry, mainly in the aerospace. In this study, the effects of non-uniformity on the efficiency and power output are studied. Finite element method (FEM) with the application of superconvergent element (SCE) is adopted here to solve the equations. It is observed that the trapezoidal geometry (converging beam) provides a higher output power while the efficiency decreases. Moreover, in order to prove that the power enhancement is achievable while the amount of piezoelectric material consumed is constant the new configuration is proposed. In the configuration, an array of uniform beams connected in series is used instead of one single rectangular beam. The proposed setting generates an output power of 1.817 mW at a resonant frequency of 284.6 Hz when excited by an input acceleration of 1 g. The only challenge is the fundamental frequency difference which is met with the application of proof mass and thinner substrate and piezoelectric layers. Abbreviations: $$a\left(t \right)$$: Generalized coordinates vector; $${A_p}$$: The electrode area; A: The amplitude vector of generalized coordinates; $$b\left(x \right)$$: Width; $${b_0}$$: Initial width; C: Damping matrix; $${C_p}$$: Capacitance of the one piezoelectric layer; $${\bar C_p}$$: Effective (equivalent) capacitance of the piezoelectric layers; $${d_{31}}$$: Piezoelectric strain coefficient; $${D_3}$$: The electric displacement; $$E$$: Young’s modulus; $${E_3}$$: The electrical field along the thickness direction; F: Dynamic force vector; $$g\left(t \right)$$: The translation part of base motion; $$G$$: Shear modulus; $${h_p}$$: Piezoelectric layers’ thickness; $${h_0}$$: Initial thickness of substrate layer; $$i$$: Imaginary number; $$I\left(t \right)$$: Current output; $${k_s}$$: Shear correction factor; K: Global stiffness matrix; $$L$$: Length of the beam; $${l_e}$$: The length of one element; M: Global mass matrix; $$n$$: Polynomial’s degree; $$ \boldsymbol{N_w}, {N_\phi }$$: Matrices of shape functions (1×4 for one element); $${P_{in}}$$: The input mechanical power; $${P_{out}}$$: The output electrical power; $$Q\left(t \right)$$: Electric charge output; R: Displacement vectors of the generic point S (3×1); $${R_l}$$: External load resistance; $${\dot R}$$: Velocity vector of the generic point S (3×1); $$t$$: Time; $$T$$: Kinetic energy; $$u$$: Axial displacement; $$U$$: Potential energy; $$v, w$$: Transversal displacements; $$V$$: Volume; $$v\left(t \right)$$: The generated piezoelectric voltage$${\ }{v_0},{\ }{w_0}$$: Displacements on the middle-plane; $$x,{\ }y,{\ }z$$: Positions of a general point in the relative coordinates system; $$X$$: The amplitude of the effective displacement, $${w_b}$$; $$\varepsilon _{33}^T$$: The dielectric permittivity of piezoelectric layer at constant stress; $$\varepsilon _{33}^s$$: The dielectric permittivity of piezoelectric layer at constant strain; $$\boldsymbol {\theta}$$: The electromechanical coupling vector (3×1 for one element); $${\phi _x}$$: The binding rotation of the cross section; $$\gamma $$: Transverse shear strain; $$\varepsilon $$: Axial strain; $$\sigma $$: Axial stress; $$\tau $$: Transverse shear stress$${\ }\psi _j^e,{\ }\varphi _j^e$$: Shape functions of superconvergent element, $$j = 1,{\ } \ldots {\ },4$$; $${\ }W_i^e,{\ }\phi _i^e, W_{\rm{i}}^{"e}, \break{\ }\phi _{\rm{i}}^{"e}\left(t \right)$$: Generalized coordinate elements, $$i = 1,{\ }2$$; $$\rho $$: Mass density; $${\rm{\Gamma }}$$: The efficiency of harvesting; $$\omega $$: Excitation frequency; $$\mu $$: Constant of mass proportionality; Constant of stiffness proportionality; $$\zeta $$: Damping ratio; $${\alpha _b}$$: Width taper ratio; $${\alpha _h}$$: Height taper ratio; $$\delta $$: The symbol of virtual work; $${W_{IE}}$$: The internal electrical energy; $${W_{nc}}$$: The non-conservative mechanical force; RD: Relative difference; PEHs: Piezoelectric energy harvesters; FEM: Finite element method; FRFs: Frequency response functions; DOF: Degree-of–freedom; MEMS: Micro-electromechanical system; MPGs: Micro-power generators; SCE: Superconvergent element; $${()_p}$$: Piezoelectric layer properties; $${()_s}$$: Substrate layer properties; $$\mathop {()}\limits"$$ : Partial differentiation with respect to x; $$\mathop {()}\limits"$$: Partial differentiation with respect to t.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction distillée sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,000
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,000
Version: codex-gemma-dda1882f352aStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: Expérimental (laboratoire)
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,006
Score d'incertitude au seuil0,348

Scores Codex et Gemma par catégorie

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0000,000
Intégrité de la recherche0,0000,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,010
Tête enseignante GPT0,203
Écart entre enseignants0,194 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeExpérimental (laboratoire)
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations12
Publié2020
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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