Conventional Piezoelectric Energy Harvesters (CPEH) have been extensively studied for maximizing their electrical output through material selection, geometric and structural optimization, and adoption of efficient interface circuits. In this paper, the performance of Stepped Piezoelectric Energy Harvester (SPEH) under harmonic base excitation is studied analytically, numerically and experimentally. The motivation is to compare the energy harvesting performance of CPEH and SPEHs with the same characteristics (resonant frequency). The results of this study challenge the notion of achieving higher voltage and power output through incorporation of geometric discontinuities such as step sections in the harvester beams. A CPEH consists of substrate material with a patch of piezoelectric material bonded over it and a tip mass at the free end to tune the resonant frequency. A SPEH is designed by introducing a step section near the root of substrate beam to induce higher dynamic strain for maximizing the electrical output. The incorporation of step section reduces the stiffness and consequently, a lower tip mass is used with SPEH to match the resonant frequency to that of CPEH. Moreover, the electromechanical coupling coefficient, forcing function and damping are significantly influenced because of the inclusion of step section, which consequently affects harvester's output. Three different configurations of SPEHs characterized by the same resonant frequency as that of CPEH are designed and analyzed using linear electromechanical model and their performances are compared. The variation of strain on the harvester beams is obtained using finite element analysis. The prototypes of CPEH and SPEHs are fabricated and experimentally tested. It is shown that the power output from SPEHs is lower than the CPEH. When the prototypes with resonant frequencies in the range of 56-56.5 Hz are tested at 1 m/s2, three SPEHs generate power output of 482 μW, 424 μW and 228 μW when compared with 674 μW from CPEH. It is concluded that the advantage of increasing dynamic strain using step section is negated by increase in damping and decrease in forcing function. However, SPEHs show slightly better performance in terms of specific power and thus making them suitable for practical scenarios where the ratio of power to system mass is critical.
Pour, H. Rahimi;Arani, A. Ghorbanpour;Sheikhzadeh, G.A.
Steel and Composite Structures
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v.23
no.6
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pp.691-714
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2017
Rotating fluid induced vibration and instability of embedded piezoelectric nano-composite separators subjected to magnetic and electric fields is the main contribution of present work. The separator is modeled with cylindrical shell element and the structural damping effects are considered by Kelvin-Voigt model. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are used as reinforcement and effective material properties are obtained by mixture rule. The perturbation velocity potential in conjunction with the linearized Bernoulli formula is used for describing the rotating fluid motion. The orthotropic surrounding elastic medium is considered by spring, damper and shear constants. The governing equations are derived on the bases of classical shell theory (CST), first order shear deformation theory (FSDT) and sinusoidal shear deformation theory (SSDT). The nonlinear frequency and critical angular fluid velocity are calculated by differential quadrature method (DQM). The detailed parametric study is conducted, focusing on the combined effects of the external voltage, magnetic field, visco-Pasternak foundation, structural damping and volume percent of SWCNTs on the stability of structure. The numerical results are validated with other published works as well as comparing results obtained by three theories. Numerical results indicate that with increasing volume fraction of SWCNTs, the frequency and critical angular fluid velocity are increased.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.05a
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pp.188-191
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2005
Taguchi method is used to determine the optimal configuration of PZT (Lead Zirconate-Titanate) patch on the host structure for improving the performance of piezoelectric shunt system. The charges generated on the surface of PZT patch are selected to be the objective function in the Taguchi method. Full three dimensional finite element models are used to simulate vibration of smart panel and to obtain the admittance of the piezoelectric shunt system. Using Taguchi method in Minitab, the optimal model is obtained. The experiment with piezoelectric shunt circuit is performed to verify the validity of the optimal model comparing with initial model.
In current paper, nonlocal (NLT), nonlocal strain gradient (NSGT) and Gurtin-Murdoch surface/interface (GMSIT) theories with classical theory (CT) are utilized to investigate vibration and stability analysis of Double Walled Piezoelectric Nanosensor (DWPENS) based on cylindrical nanoshell. DWPENS simultaneously subjected to direct electrostatic voltage DC and harmonic excitations, structural damping, two piezoelectric layers and also nonlinear van der Waals force. For this purpose, Hamilton's principle, Galerkin technique, complex averaging and with arc-length continuation methods are used to analyze nonlinear behavior of DWPENS. For this work, three nonclassical theories compared with classical theory CT to investigate Dimensionless Natural Frequency (DNF), pull-in voltage, nonlinear frequency response and stability analysis of the DWPENS considering the nonlocal, material length scale, surface/interface (S/I) effects, electrostatic and harmonic excitation.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2002.05a
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pp.381-386
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2002
This paper presents a piezoelectric shunt methodology to reduce unwanted vibration of optical disk drive(O.D.D.). After briefly investigating a second-order mechanical vibration absorber model, the O.D.D. structure is incorporated with the piezoelectric shunt circuit. In order to evaluate feasibility of multi-mode passive damping of the structure, admittance measurement of piezoceramic is undertaken. The parameters are optimally tuned by admittance measurement results on the basis of the circuit model and displacement transmissibility is evaluated. To verify validity of admittance measurement result, experiment is performed and vibration reduction is achieved at two different modes.
In current study, surface/interface effects for pull-in voltage and viscous fluid velocity effects on dimensionless natural frequency (DNF) of fluid-conveying piezoelectric nanosensor (FCPENS) subjected to direct electrostatic voltage DC with nonlinear excitation, harmonic force and also viscoelastic foundation (visco-pasternak medium and structural damping) are investigated using Gurtin-Murdoch surface/interface (GMSIT) theory. For this analysis, Hamilton's principles, the assumed mode method combined with Lagrange-Euler's are used for the governing equations and boundary conditions. The effects of surface/interface parameters of FCPENS such as Lame's constants (λI,S, μI,S), residual stress (τ0I,S), piezoelectric constants (e31psk,e32psk) and mass density (ρI,S) are considered for analysis of dimensionless natural frequency respect to viscous fluid velocity u̅f and pull-in voltage V̅DC.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.05a
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pp.133-137
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2001
Active control of flexural vibrations of smart laminated composite beams has been carried out using piezoceramic sensor/actuator and viscoelastic material. The beams with passive constrained-layer damping have been analyzed by formulating the equations of motion through the use of extended Hamilton's principle. The dynamic characteristics such as damping ratio and modal damping of the beam are calculated for various fiber orientations by means of iterative complex eigensolution method, This paper addresses a design strategy of laminated composite under flexural vibrations to design structure with maximum possible damping capacity.
A control algorithm combining viscous and non-linear Reid damping mechanisms has been recently proposed by the authors to command active friction dampers. In this paper, friction dampers and the proposed algorithm are applied to control the seismic responses of a nonlinear 20-story building. Piezoelectric stack actuators are used to implement the control algorithm. The capacity of each damper is determined by the practical size of piezoelectric actuators and the availability of power supply. The saturation effect of the actuators on the building responses is investigated. To minimize the peak story drift ratio or floor acceleration of the building structure, a practical sequential procedure is developed to sub-optimally place the dampers on various floors. The effectiveness of active friction dampers and the efficiency of the proposed sequential procedure are verified by subjecting the building structure to four earthquakes of various intensities. The performance of 80 dampers and 137 dampers installed on the structure is evaluated according to 5 criteria. Numerical simulations indicated that the proposed control algorithm effectively reduces the seismic responses of the uncontrolled 20-story building, such as inelastic deformation. The sub-optimal placement of dampers based on peak acceleration outperforms that based on peak drift ratio for structures subjected to near-fault ground motions. Saturation of piezoelectric actuators has adverse effect on floor acceleration.
In many of microdevices a part of a microbeam is covered by a piezoelectric layer. Depend on the application a DC or AC voltage is applied between upper and lower side of the piezoelectric layer. A common method in many of previous works for evaluating the response of these structures is discretizing by Galerkin method. In these works often single mode shape of a uniform microbeam i.e. the microbeam without piezoelectric layer has been used as comparison function, and so the convergence of the solution has not been verified. In this paper the Galerkin method is used for discretization, and a comprehensive analysis on the convergence of solution of equation that is discretized using this comparison function is studied for both clamped-clamped and clamped-free microbeams. The static and dynamic solution resulted from Galerkin method is compared to the modal expansion solution. In addition the static solution is compared to an exact solution. It is denoted that the required numbers of uniform microbeam mode shapes for convergence of static solution due to DC voltage depends on the position and thickness of deposited piezoelectric layer. It is shown that when the clamped-clamped microbeam is coated symmetrically by piezoelectric layer, then the convergence for static solution may be obtained using only first mode. This result is valid for clamped-free case when it is covered by piezoelectric layer from left clamped side to the right. It is shown that when voltage is AC then the number of required uniform microbeam shape mode for convergence is much more than the number of required mode in modal expansion due to the dynamic effect of piezoelectric layer. This difference increases by increasing the piezoelectric thickness, the closeness of the excitation frequency to natural frequency and decreasing the damping coefficient. This condition is often indefeasible in microresonator system. It is concluded that discreitizing the equation of motion using one mode shape of uniform microbeam as comparison function in many of previous works causes considerable errors.
Piezoelectric actuators are characterized by non-linear dynamics and high frequency oscillations of the piezocrystal. Both properties have to be taken into consideration when optimizing real time systems. Taking benefit of the almost linear behaviour between charge and strain, current source fed piezoelectric actuators are given preference for high dynamic applications. Here special emphasis is put on current sources for multi-actuator systems and the controller design for optimal system integration of the actuator. It is shown that sliding mode operation of the converter system offers good possibilities to guaranty high accuracy and dynamics of the actuators system. The presented multi-actuator system is used for positioning and vibration damping in flexible mechanical systems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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