https://doi.org/10.83048/qyna-8964">

Date of Award

4-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Dr. Farag K. Omar

Second Advisor

Dr. Rafic Ajaj

Abstract

Harvesting energy from vibration sources has attracted the interest of researchers for the past three decades. Researchers have been working on the potential of achieving self-powered MEMS scale devices. Piezoelectric cantilever harvesters have caught the attention in this field because of the excellent combination of high-power density and compact structure. The main objective of this thesis is to develop a novel and optimum piezoelectric harvester system using lumped parameter model (LPM) for given vibration sources. The finite element model (FEM) is used in this work as an original approach to be utilized for optimal design optimization. Three types of validations are accomplished to solidify the use of FEM in mimicking the distributed parameter model (DPM) for linearly tapered piezoelectric cantilevers. The first two validations are accomplished using beam deflection and relative transmissibility functions. Comparisons between the FEM and the DPM developed by the literature are performed. The third validation is carried for an electromechanical piezoelectric cantilever in FEM. Results confirmed the effectiveness of the developed FEM. A number of significant contributions are achieved while fulfilling the aim of this work. First, a dimensionless parameter, Power Factor (PF), is derived and used to understand the impact of the geometry on the piezoelectric harvester performance. The PF showed an optimum performance at a taper ratio of 0, taking the full length of the cantilever and thickness ratio of 0.7. Second, the accuracy of the LPM for linearly tapered piezoelectric harvesters and optimal design are investigated. Results indicated that the percentage of the deflection error between the LPM and the FEM reaches 9% when the taper ratio is zero. However, when tip-mass to cantilever ratios are larger than 2, the error decreases to less than 0.5% leading to more accurate results in the vibrational response of the beam. Further studies on the accuracy are accomplished using the relative transmissibility function. Results showed that as the taper ratio decreases towards zero, the percentage error of using the LPM to predict the vibration response increases significantly to 55%. These results lay the foundation for the third contribution of developing correction factors for tapered and optimal piezoelectric cantilever harvesters using FEM. Comparisons of the corrected LPM and FEM for different configurations are examined. Results indicated that as the taper ratio decreases, the surface power density increases. However, the developed optimal design exhibits the highest surface power density of 1.40×104 [(mW/g2)/ m2] which is 16.4% more than the best following shape of a taper ratio 0.2 and 58% more than the taper ratio 1. Furthermore, a parametric study of the optimal design is performed to scrutinize the effect of various parameters on the harvester performance. Finally, detailed criteria for designing the optimal piezoelectric harvester for different conditions are structured.

Arabic Abstract

جنب حصاد الطاقة من مصادر الاهتزاز اهتمام الباحثين على مدار العقود الثلاثة الماضية. عمل الباحثون على إمكانية تحقيق أجهزة استشعار كهروميكانيكية دقيقة (MEMS) ذاتية قوة التشغيل. جذبت حاصدات الكابول الكهروضغطية الانتباه في هذا المجال بسبب تركيبها الممتاز الذي يجمع بين كثافة طاقة عالية والهيكل المدمج. الهدف الرئيسي من هذه الأطروحة هو تطوير نظام حاصدة كهروضغطية جديد ومثالي باستخدام نموذج المعلمة المجمعة (LPM) لمصادر اهتزاز معينة. تم استخدام نموذج العناصر المحدودة (FEM) في هذا البحث ليساهم في تطوير التصميم للشكل الأمثل.

في هذا الصدد، أُنجزت ثلاثة أنواع من عمليات التحقق لترسيخ استخدام نموذج المعلمة المجمعة (LPM) في محاكاة نموذج المعلمة الموزعة (DPM) لحاصدات الكابول الكهروضغطية المستدقة طولياً. تم إجراء عمليتي التحقق الأولى والثانية باستخدام دالة انحراف العارض ودالة النقل النسبية. تم إجراء مقارنات بين نموذج LPM ونموذج DPM التي طورتها الأبحاث السابقة. كما تم إجراء التحقق الثالث باستخدام الخصائص الكهروميكانيكية لحاصدات الكابول الكهروضغطية. أكدت نتائج التحققات الثلاث فعالية نموذج LPM المطور.

تم تحقيق هدف هذا البحث عبر مجموعة من المساهمات الهامة. أولاً، تم اشتقاق مقياس بلا أبعاد يسمى بمعامل القدرة (PF) واستخدامه لفهم تأثير التكوين الجيومتري على أداء الحاصدة الكهروضغطية. أظهر PF الأداء الأمثل عند نسبة استدقاق تساوي صفر مع الأخذ في الاعتبار الطول الكلي للكابول ونسبة سماكة قدرها 0.7.

ثانياً، تم الفحص والكشف عن درجة الدقة لنموذج LPM للحاصدات الكهروضغطية مستدقة الطرف بالإضافة إلى الحاصدة ذات التصميم الأمثل. أشارت النتائج إلى أن نسبة خطأ الانحراف بين LPM وFEM تصل إلى 9% عندما تكون نسبة الاستدقاق صفر، ولكن عندما تكون نسبة الكتلة إلى الكابول أكبر من 2 ينخفض الخطأ إلى أقل من 0.5% مما يؤدي إلى نتائج أكثر دقة.

تم إجراء المزيد من الدراسات حول دقة النموذج باستخدام دالة النقل النسبية، حيث أظهرت النتائج أنه مع انخفاض نسبة الاستدقاق نحو الصفر فإن النسبة المئوية للخطأ في استخدام LPM للتنبؤ باستجابة الاهتزاز تزداد بشكل كبير لتصل إلى 55%.

وضعت هذه النتائج الأساس للمساهمة الثالثة لتطوير عامل تصحيح لحاصدات الكابول الكهروضغطية المدببة طولياً وكذلك الحاصدات ذات التصميم الأمثل باستخدام LPM. كما تم عمل مقارنات بين نموذج المعلمة المجمعة المصحح وFEM لأشكال وتكوينات هندسية مختلفة، وأشارت النتائج إلى أنه مع انخفاض نسبة الاستدقاق تزداد كثافة القدرة/طاقة السطح.

مع ذلك، يُظهر التصميم الأمثل المطور أعلى كثافة طاقة سطحية بلغت (ميغاواط/غرام)/م²، والتي تزيد بنسبة 16.4% عن أفضل شكل تم الحصول عليه بنسبة استدقاق 0.2 و58% أكثر من الشكل ذي نسبة استدقاق 1.

أخيراً، تم إجراء دراسة بارامترية للتصميم الأمثل لفحص تأثير العوامل المختلفة على أداء الحاصد، بالإضافة إلى وضع معايير تصميمية للحاصدات الكهروضغطية الأمثل لظروف وقيود مختلفة.

Arabic Comments

مفاهيم البحث: حاصدات الكابول الكهروضغطية، عامل تصحيح نموذج المعلمة المجمعة، نموذج العناصر المحدودة، التحليل النظري.

Download
COinS