Název: Výpočtové modelování piezoelektrických vrstevnatých kompozitů a analýza jejich elektro-mechanické odezvy při harmonickém kmitání
Překlad názvu: Computational modelling of the layered piezoelectric composites and analysis of their electro-mechanical response upon harmonic vibrations
Autoři: Machů, Zdeněk ; Profant, Tomáš (oponent) ; Ševeček, Oldřich (vedoucí práce)
Typ dokumentu: Diplomové práce
Rok: 2019
Jazyk: eng
Nakladatel: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstrakt: [eng] [cze]
V současnosti je velmi aktuálním tématem generování elektrické energie z alternativních zdrojů, zejména z vibrací. Zařízení, která přeměňují mechanickou energii na elektrickou, využívají často ke své činnosti piezoelektrický jev. Pro optimální nastavení takového elektromechanického měniče pro danou aplikaci je třeba mít k dispozici výpočtový model, který bude schopný postihnout všechny klíčové aspekty jeho provozu. Tato práce se tedy zabývá vytvořením takovéhoto nástroje, který je schopen komplexně popsat elektromechanickou odezvu studovaného piezoelektrického měniče energie v podobě vetknutého, vícevrstvého keramického nosníku s piezoelektrickými vrstvami. Uvažovaná vícevrstvá konstrukce je během své činnosti vystavena kinematickému buzení a je rovněž zatížena tepelnou zbytkovou napjatostí vznikající při její výrobě. Vytvořený výpočtový model využívá klasickou laminátovou teorii k určení statické elektromechanické odezvy dané konstrukce. Elektromechanická odezva při kmitání uvažované konstrukce v ustáleném stavu je získána s využitím Hamiltonova variačního principu a teorie kmitání prutů. Vytvořený výpočtový model je dále schopen odhadnout zdánlivou lomovou houževnatost dané vícevrstvé konstrukce pomocí metody váhových funkcí. Výstupy vytvořeného výpočtového modelu jsou ověřeny s využitím numerických simulací na bázi MKP a dostupných experimentálních výsledků. V diplomové práci je následně vytvořený výpočtový model aplikován při hledání optimálního rozložení jednotlivých vrstev konkrétního vícevrstvého nosníku s cílem maximalizovat jeho elektrický výkon a odolnost vůči šíření povrchových trhlin, resp. vzniku křehkého lomu. Tohoto cíle je dosaženo pomocí vhodného rozložení tepelných zbytkových napětí v jednotlivých vrstvách uvažované konstrukce (řízeného použitými materiály a tloušťkami jednotlivých vrstev). Currently, a generation of electric power from alternative sources of energy, especially from ambient vibrations, is becoming a very hot topic. Devices converting mechanical energy into an electrical one are called energy harvesters and are often based on the piezoelectric phenomenon. For the optimal adjustment of such an energy converter in the given application, it is necessary to have its computational model, which is able to describe all key aspects of its operation. Thus, this work focuses on the development of such a complex computational tool, which is able to globally describe the electromechanical response of the studied piezoelectric harvester operating in the form of a cantilever multilayer ceramic beam with piezoelectric layers. Such a multilayer structure is subjected to a kinematic excitation during its operation and also contains thermal residual stresses coming from the manufacturing process. The derived computational model utilizes the classical laminate theory to determine the static electromechanical response of the structure. Hamilton’s variational principle and the theory of beam vibrations were employed to obtain electromechanical response of the structure upon steady-state vibrations. The complex computational model is also capable of estimating the apparent fracture toughness of a given multilayer structure using the weight function method. The output of derived computational model is validated with FE simulations and available experimental results. This master’s thesis also presents an application of the derived computational model in the optimization of a particular multilayer beam to obtain maximal electrical power output and to maximize its resistance to surface crack propagation and a potential brittle fracture. This goal is achieved by means of a suitable adjustment of thermal residual stresses in particular layers of the considered structure (controlled by used materials and by thicknesses of particular layers).
Klíčová slova: analytical model; Ansys; ceramic laminate; classical laminate theory; FEM; Hamilton’s variational principle; piezoelectricity; vibrations of beams; weight functions; analytický model; Ansys; Hamiltonův variační princip; keramický laminát; klasická laminátová teorie; kmitání prutů; MKP; piezoelektricita; váhové funkce.

Instituce: Vysoké učení technické v Brně (web)
Informace o dostupnosti dokumentu: Plný text je dostupný v Digitální knihovně VUT.
Původní záznam: http://hdl.handle.net/11012/175400

Trvalý odkaz NUŠL: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-400492


Záznam je zařazen do těchto sbírek:
Školství > Veřejné vysoké školy > Vysoké učení technické v Brně
Vysokoškolské kvalifikační práce > Diplomové práce