|
|
Computational modelling of the layered piezoelectric composites and analysis of their electro-mechanical response upon harmonic vibrations
Machů, Zdeněk ; Profant, Tomáš (oponent) ; Ševeček, Oldřich (vedoucí práce)
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).
|
|
|
Výpočtová analýza elektro-mechanických charakteristik feroelektrického/dielektrického kompozitního materiálu
Vítek, Tomáš ; Marcián, Petr (oponent) ; Ševeček, Oldřich (vedoucí práce)
Předložená diplomová práce se zabývá výpočtovým modelováním keramických feroelektrických/dielektrických částicových kompozitů. V rešeršní části je vysvětlen princip piezoelektrického jevu, popsány veličiny definující piezoelektrické chování materiálu a uvedena charakteristika běžně používaných piezoelektrických materiálů včetně zmíněných feroelektrických/dielektrických kompozitů. Výpočtová část práce začíná homogenizací částicových kompozitů sestávajících z feroelektrické matrice a dielektrických částic. Otestovány jsou dostupné analytické modely pro stanovení efektivních elektro-mechanických vlastností kompozitu, dále jsou v programu Ansys Mechanical APDL sestaveny parametrické konečnoprvkové modely částicového kompozitu. Je zde popsán algoritmus tvorby těchto modelů a vysvětlen postup výpočtu příslušných efektivních vlastností kompozitu na základě získaných výsledků. Následně jsou výsledky dosažené analytickými a konečnoprvkovými modely porovnány a je posouzena použitelnost zvolených analytických modelů v závislosti na parametrech kompozitu. Poté jsou s využitím sestavených konečnoprvkových modelů provedeny citlivostní analýzy, prostřednictvím kterých vyhodnoceno, jakým způsobem ovlivňují určité geometrické a materiálové parametry efektivní elektro-mechanické vlastnosti kompozitu. Tyto vlastnosti predikované metodou konečných prvků jsou v další části práce konfrontovány s poskytnutými výsledky experimentů. Následuje výpočtová analýza zbytkových napětí zanesených do kompozitu během sintrování, jejímž výstupem jsou doporučení pro výrobu těchto kompozitů, které by měly vést ke snížení zbytkových napětí a tedy i rizika vzniku trhlin. Na závěr jsou navrženy a analyzovány různé designy feroelektrického/dielektrického kompozitu vyrobitelné metodou 3D tisku, prezentované výsledky mají za cíl sloužit jako základ pro budoucí výzkum.
|
|
|
Computational modelling of the layered piezoelectric composites and analysis of their electro-mechanical response upon harmonic vibrations
Machů, Zdeněk ; Profant, Tomáš (oponent) ; Ševeček, Oldřich (vedoucí práce)
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).
|
host ::
RSS.