Energy generation from friction-induced vibration of a piezoelectric beam
Notice bibliographique
Résumé
• Friction-induced vibration (FIV) of continuum beams was first studied. • Energy generation from FIV on a piezoelectric beam was modeled and validated. • Close to resonant vibrations can be achieved in multiple vibration modes. • Milliwatt level power can be harvested by centimeter-size piezoelectric materials. • Materials boosting stick-slip motion at higher FIV modes can enhance power output. The primary challenge in harnessing vibration energy with piezoelectric materials is the discrepancy in frequency between the energy source and the energy generator, which lowers the efficiency of energy harvesting. To address the challenge, a piezoelectric beam under friction-induced vibration (FIV) is designed, modeled, and studied for the first time to realize the pronounced FIV contributing to energy generation by adapting the vibrations of the continuum structure to align close to its resonant frequencies. The Stribeck friction model is applied to characterize the variation of friction based on the relative sliding velocity v r between contacting objects. The analytical solution is derived to solve the dynamic responses, and transient charging simulation validated by the experiment is utilized to assess energy output. Furthermore, parameter studies are conducted based on the validated model with regard to the material properties of the beam and piezoelectric material, electrode connections of piezoelectric patches, and friction model parameters to investigate their influences on energy output. Considering the same dimensional properties, materials with low Young's modulus E and density ρ are desired for the host structure to facilitate large dynamic strain in piezoelectric materials. With an exponential decay factor C = 8, representing optimal material contact interface, pronounced higher FIV mode can be induced leading to higher output power. A root mean square charging power P e RMS of 42.4 mW and a peak instant charging power P e − peak of 263 mW can be achieved. In the current study, the model is implemented on a beam coupled with one piezoelectric patch, which has potential applicability to non-uniform beams with various layouts of piezoelectric patches. The presented model enables efficient optimization of continuum structural design for higher piezoelectric energy generation under friction.
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Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
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score_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 découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».