Advanced concepts of piezoelectric patch-based energy harvesting and locally resonant bandgap formation in thin plates
Pirometredeki piezoelektrik yama tabanlı enerji toplama ve lokal rezonant bandgap oluşumunun ileri kavramları
- Tez No: 492508
- Danışmanlar: Assoc. Prof. Dr. IPEK BASDOGAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 120
Özet
Piezoelektrik transdüserleri kullanarak enerji hasatlama, son on yılda, özellikle, yapı titreşimlerinin izlenmesi uygulamalarında kullanılan, kendi kendine çalışan gömülü aygıtlara enerji sağlamak amacıyla kullanılmakta ve böylece kullanılan pillerin bakım maliyetlerinin önemli bir miktarda düşmesini sağlamaktadır. Buna paralel olarak, araştırmacılar, esnek yapıların titreşimlerini etkin bir şekilde azaltmak için piezoelektrik şant sönümleme tekniğini kapsamlı bir şekilde kullanmaktadırlar. Daha yakın zamanda, şant sönümleme ile birlikte, lokal rezonansa sahip piezoelektrik yapılar, farklı rezonans bantlarında sönümleme oluşturmak için meta materyal tabanlı elektromekanik yapılar kapsamında kullanılmaktadır. Yukarıda verilen uygulamalara destek sağlamak amacıyla, bu çalışma, havacılık, uzay ve otomotiv endüstrilerinde yaygın olarak kullanılan ince levha benzeri yapılara, farklı şekillerde entegre edilen piezoelektrik yamaların, elektromekanik modellemesine odaklanmaktadır. Bu çalışmalar titreşim esaslı enerji hasatlama ve lokal rezonans frekans bantlarında sönümleme uygulamalarına odaklanmıştır. Literatürdeki titreşim esaslı enerji hasatlama çalışmaları çoğunlukla, taban titreşimden güç üreten piezo-seramik plakalardan oluşmuş dirsekli kirişler üzerinedir. Bu kiriş tabanlı hasatlayıcılara alternatif olarak, piezoelektrik yamalar plaka yapılara entegre edilerek, yapıların hacimsel miktarını önemli miktarda artırmadan, ana sistemin titreşim modlarını doğrudan kullanabilir ve böylece kompakt iki boyutlu enerji hasat sistemi olarak kullanılabilirler . Bu arada, pil veya kondansatör gibi depolama sistemlerini şarj etmek için kararlı bir DC elektrik sinyali gerekir. Bununla birlikte, kiriş ve levha benzeri hasatlayıclar ile ilgili yapılan çalışmaların çoğu, basit bir direnci harici bir elektrik yükü olarak kullanmaktadır. Genel olarak, elektrik alanındaki mevcut çalışmalar mekanik modelleri aşırı basitleştirirken, mekanik alan üzerindeki çalışmalar pratik elektrik devrelerini tam olarak modelleyememektedir. Bu tezin ilk kısmı, bu ihtiyaçları göz önüne alarak, elektriksel ve mekanik alanları tam olarak entegre etmek üzere, analitik ve sayısal modeller geliştirerek bu sorunları çözmeyi amaçlamaktadır. Tezin 2. bölümünde, ince levhadaki tek bir piezo-yama enerji hasatlayıcısı için çok-modlu eşdeğer devre modeli (ECM) devre denklemi ve elektromekanik denklem arasındaki benzetim kullanılarak geliştirilmiştir. Eşdeğer devre parametreleri, piezo-yama ile dikdörtgen plakanın analitik modal analiz çözümünden elde edilir ve iki yönlü elektromekanik bağlantının yanı sıra, ana yapının çoklu titreşim modlarını da hesaba katmaktadır. Bölüm 3'te, pratik hasat devresinin eşdeğer empedans yükünü, plakanın elektroelastik denklemlerine, çoklu piezo yama enerjisi hasatlayıcarıyla (MPEH'ler) entegre ederek eşdeğer empedans elektroelastik modeli geliştirilmiştir. Ayrıca, piezo-yamaların farklı bağlantıları (seri, paralel veya karışık seri-paralel konfigürasyonlar) ile uyumlu MPEH'ler için genelleştirilmiş bir ECM oluşturulmuştur. Son olarak, daha yüksek titreşim modlarında piezo-yama zıt akım işaretlerine bağlı olarak, yük iptallerinden kaçınmak için çözüm olarak ilgili bir düzeltme tekniği önerilmektedir. Tezin ikinci bölümünde, yerel plakalara entegre edilmiş lokal rezonanslı piezo-yamalar içeren iki boyutlu elektromekanik meta-materyaller için çalışmalar ve ilgili sonuçlar verilmiştir. Meta-materyal tabanlı mekanik yapılara benzer şekilde, rezonant şant devrelerine sahip birçok piezoelektrik eleman, ana yapıda, farklı rezonans bant frekanslarında sönümleme aralıkları oluşturmak için ince bir plakaya entegre edilebilir. Meta-material literatüründe, çoğu çalışma, birim hücrelerin tekrar tekrar bir araya getirerek, sonsuz bir yapı varsayımını kullanarak, yapının frekans bant aralıklarını modellemek için Bloch teoremini kullanmaktadır. Bununla birlikte, çoklu rezonatörler dizisiyle sonlu yapıların kullanıldığı lokal olarak rezonant metamatanyaların pratik olarak uygulanması için, rezonant piezoelektrik elemanların elektromekanik davranışı ile ana yapıya ait modal etkileşimi anlayabilmek için yüksek kalitede modellere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla, bölüm 4, frekans bant genişliği oluşumunu araştırmak için rezonant şant devrelerine bağlı sıralı piezo-yamaların ince bir plakaya entegre edildiklerinde, elektroelastik modellemesini detaylı bir şekilde anlatmaktadır. FRF yüzey grafikleri seramik ve tek kristaller gibi bir dizi piezoelektrik malzeme için incelenmiş; ayrıca hedeflenen frekans bant aralıklarında çok düşük bir titreşim miktarı gözlemlenmiştir. Son olarak da, bant aralıklarının farklı hedef frekanslarda oluştuğu ve boyutlarının piezo-yama kalınlığındaki artışla genişlediği de gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Vibrational energy harvesting using piezoelectric transducers has received significant attention over the past decade for enabling self-powered embedded devices in health monitoring applications, and thus reducing the maintenance costs of discarded batteries. In parallel, researchers have extensively investigated the piezoelectric shunt damping technique for efficiently attenuating the vibrations of flexible structures. More recently, in conjunction with shunt damping, locally resonant piezoelectric structures have been employed in the concept of metamaterial-based electromechanical structures to create bandgaps. This work is centered on the electromechanical modeling of piezoelectric patches integrated to thin plate-like structures, which are widely available in aerospace, space, and automotive industries, for the applications of vibration-based energy harvesting and locally resonant bandgap formation. Vibration-based energy harvesters in the literature are typically made of cantilevered beams with piezoceramic layers which generate power under the base excitations. As alternative to these beam-based harvesters, piezoelectric patches can be integrated to plate structures in order to directly exploit the vibration modes of the host system without adding significant mass and volumetric occupancy of the cantilevers, thus enabling a compact two-dimensional energy harvesting system. Meanwhile, in order to charge the storage components such as a battery or a supercapacitor, a stable DC electrical signal is required. However, majority of the studies on beam and plate-like harvesters have used a simple resistance as an external electrical load. Generally, existing studies on the electrical part have oversimplified the mechanical models, while the works on the mechanical domain have overlooked the practical electrical circuits. Considering these needs, the first part of this thesis aims to address those problems by developing unified analytical and numerical frameworks to fully bridge the electrical and mechanical domains, and hence formulating a complete electromechanically coupled system. In chapter 2, a multi-modal equivalent circuit model (ECM) for a single piezo-patch energy harvester on a thin plate is developed using the analogy between the second-order circuitry equation and the governing electromechanical equation. The equivalent circuit parameters are obtained from the analytical modal analysis solution of a rectangular plate with a piezo-patch, and account for multiple vibration modes of the host structure as well as the two-way electromechanical coupling. In chapter 3, an equivalent impedance electroelastic model is developed by integrating the equivalent impedance load of the practical harvesting circuit into the electroelastic equations of the plate with multiple piezo-patch energy harvesters (MPEHs). Moreover, a generalized ECM for the MPEHs is established which is compatible with different interconnections of the piezo-patches (series, parallel, or mixed series-parallel configurations). Finally, a respective rectification technique as a solution for avoiding charge cancellations, due to opposite current signs of piezo-patches at higher vibration modes, is proposed. In the second part of the thesis, a type of two-dimensional electromechanical metastructures composed of locally resonant piezo-patches integrated to a thin plate is introduced and investigated. Analogous to metamaterial-based mechanical structures where an array of purely mechanical resonators is integrated to the structure, many piezoelectric elements with resonant shunt circuits can be integrated to a thin plate in order to generate bandgaps in the host structure, enabling a compact and tunable shunt damping mechanism. In the literature of metamaterials, most studies assume an infinite structure made of repeated assembly of unit-cells and use Bloch theorem to model the bandgaps of structure. However, for practical implementation of locally resonant metamaterials where finite structures with distributed array of resonators are employed, a high-fidelity model is required to bridge the modal interaction of the host structure with the electromechanical behavior of the resonant piezoelectric elements. To this end, chapter 4 presents an electroelastic modeling of a thin plate with array of piezo-patches connected to resonant shunt circuits for investigating the bandgap formation. Displacement FRF surface plots are presented for a set of piezoelectric materials such as ceramics and single crystals, where the bandgaps are observed at frequency bandwidth with a very low vibration amplitude. It is shown that bandgaps are formed at different target frequencies and that their size is widened by the increase in the thickness of the piezo-patches.
Benzer Tezler
- Kompozit malzemeler için yapı izleme ve bakım sistemi
Structural health monitoring and maintanence system for composite materials
MAHMUT PEKEDİS
Doktora
Türkçe
2014
Makine MühendisliğiEge ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN YILDIZ
- Ultrasonik sprey piroliz (USP) yöntemi ile nano yapılı kurşun oksit üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of nano structured lead oxide via ultrasonic spray pyrolysis (USP)
BURAK AŞIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Solar yolların Türkiye'de uygulanabilirliği
Applicability of solar roadways in Turkey
SERNAZ ENGİN ŞİMŞEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH HİLMİ LAV
- Ekokardiyografi
Echocardiography
SABRİ ARIK
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ERTUĞRUL YAZGAN
- Akustik fiberlerde dalga yayılımı
Wave propagation in acoustic fibers
MÜRVET ÜÇER (KIRCI)
Doktora
Türkçe
1997
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDevreler ve Sistemler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGÜL AKÇAKAYA