Free and forced vibration analysis of functionally graded piezoelectric energy harvesters using weak form quadrature element method
Fonksiyonel olarak derecelendirilmiş piezoelektrik enerji toplayıcıların zayıf biçimli kareleme eleman yöntemi ile serbest ve zorlanmış titreşim analizi
- Tez No: 827152
- Danışmanlar: PROF. DR. SERKAN DAĞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 229
Özet
Bu çalışmada, fonksiyonel olarak derecelendirilmiş piezoelektrik enerji toplayıcı Timoshenko kirişlerine serbest ve zorlanmış titreşim davranışını incelemek için zayıf biçimli kareleme eleman metodu uygulanmaktadır. Ucunda harici kütlesi olan ve olmayan altı piezoelektrik enerji toplayıcı, tek biçimli ve seri veya paralel bağlı çift biçimli yapılarda formülize edilmektedir. Piezo malzemelerin elektriksel ve mekanik özelliklerini belirtmek için mekanik gerinimi elektriksel yer değiştirmeyle ilişkilendiren piezoelektrik kurucu denklemler türetilmiştir. Timoshenko Kiriş Teorisi, yer değiştirme alanlarını belirlemek için kullanılır. Genişletilmiş Hamilton prensibi uygulayarak hareket denklemini elde etmek için kirişin toplam kinetik, gerinim, dahili elektrik enerjileri ile korunumlu olmayan mekanik ve elektrik kuvvetleri hesaplanır. Karelenmiş kiriş elemanı, zayıf biçimli kareleme eleman yöntemi ilkelerinin ayrıntılı bir açıklamasından sonra oluşturulmaktadır. Yer değiştirme fonksiyonları sayısal tekniğe uygun olarak değiştirilir. Serbest ve zorlanmış titreşimi yöneten formülasyonlar ayrı ayrı tanımlanmaktadır. Kararlı hal titreşim sonuçları için hareket denklemine harmonik baz yer değiştirmesi uygulanır. Buna karşılık, zorlanmış titreşim sonuçları için sayısal hesaplamaya harici olarak uygulanan kuvvetleri dahil etmek için iş eşdeğeri yöntemi uygulanmaktadır. Uygulanan harici yük türleri, düzgün dağılmış adım tipi, konsantre adım tipi, konsantre harmonik ve konsantre itici yüklerdir. Houbolt ve Newmark yöntemleri kullanılarak dinamik sonuçlar elde edilir. Piezoelektrik enerji toplayıcının baz uyarımı altında kararlı durum davranışı, voltaj frekans cevap fonksiyonu çıktıları ve açık - kısa devre durumlarındaki doğal frekans değerlerini literatürdeki deneysel bulgular ile karşılaştırarak metodu doğrulaması nedeniyle formülize edilmiştir. Ek olarak, zorlanmış titreşim sonuçları için sayısal yöntemin etkinliğini doğrulamak üzere, dört farklı dış yük altında kiriş yer değiştirme tepkisi için oluşturulmuş bir analitik çözüm kullanılır. Parametrik analizde, temel yapı malzemesinin homojensizlik etkisini göstermek için Mori-Tanaka mikromekanik modeli kullanılırken, piezoelektrik özellikler için Voigt kuralı uygulanır. Altı piezoelektrik enerji toplayıcı konfigürasyonu için oluşturulan frekans cevap eğrileri ve dinamik analiz sonuçları kullanılarak yük direnci, kuvvet kanunu üssü, uç kütle ilavesi, sınır koşulu ve malzeme yapısı değişiklikleri ile ilgili sonuçlar analiz edilir. Zayıf biçimli kareleme eleman yöntemi, homojen olmayan fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerin tasarım ve analiz çalışmalarında kolaylıkla uygulanabilen doğru ve kesin serbest ve zorlanmış titreşim sonuçları veren alternatif bir sayısal analiz metodudur.
Özet (Çeviri)
The weak form quadrature element method is used in this study to examine the free and forced vibration behavior of functionally graded piezoelectric energy harvester Timoshenko beams. Six piezoelectric energy harvester structures with and without tip mass are formulated, including unimorph and series- or parallel-connected bimorph types. Piezoelectric constitutive equations that couple mechanical strain with electrical displacement are derived to specify piezoelectric materials' electrical and mechanical characteristics. The Timoshenko Beam Theory is used to determine the displacement fields. The beam's total kinetic, strain, and internal electrical energies and the non-conservative mechanical and electrical forces are computed to obtain the equation of motion by applying the extended Hamilton's principle. The quadrature beam element is constructed after a detailed description of the weak-form quadrature element method principles. The displacement functions are altered in accordance with the numerical technique. The free and forced vibration governing formulations are defined separately. Harmonic base displacement is applied to the equation of motion for a steady-state response. In contrast, the work equivalent method is implemented to incorporate externally applied forces into the numerical computation for forced vibration. The used external load types are uniformly distributed step, concentrated step, concentrated harmonic, and concentrated impulsive loads. Dynamic outcomes are achieved by applying the Houbolt and Newmark methods. The steady-state behavior of the piezoelectric energy harvester under base excitation is formulated to validate the methodology by comparing the voltage output frequency response function and natural frequency values in open- and short-circuit states with experimental findings in the literature. Moreover, an analytical solution constructed for the beam displacement response under the four types of external loads is used to validate the numerical method's efficiency for forced vibration. In parametric analysis, while the Mori-Tanaka micromechanical model is used to demonstrate the influence of substructure material inhomogeneity, Voigt's rule serves for the piezoelectric characteristics. Frequency response curves and dynamic analysis results are analyzed for six piezoelectric energy harvester configurations regarding load resistance, power-law exponent, tip mass addition, boundary condition, and material structure changes. The weak form quadrature element method is an alternative numerical analysis approach that gives accurate and precise free and forced vibration results that can be easily applied in the design and analysis studies of non-homogeneous functionally graded materials.
Benzer Tezler
- Eksenel fonksiyonel derecelendirilmiş rotor pallerinin titreşim analizi
Vibration analysis of axially functionally graded rotor blades
BURAK KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGE ÖZDEMİR
- Fonksiyonel derecelendirilmiş ile tabakalı kompozit kirişlerin dinamik, stabilite ve statik analizleri
Dynamic, stability and static analyses of functionally graded and layered composite beams
OKAN KIRLANGIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Mühendislik BilimleriBursa Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞEREF DOĞUŞCAN AKBAŞ
- Analytical and numerical analysis of coupled linear vibrations of fgm beams and frames
Fgm kiriş ve çerçevelerin bağlı lineer titreşimlerinin analitik ve sayısal analizi
NEDİMCAN AYTEMÜR
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
DR. ÖĞR. ÜYESİ UĞURCAN EROĞLU
- Fonksiyonel derecelendirilmiş gözenekli sandviç kirişlerin zorlanmış titreşim analizi
Başlık çevirisi yok
AJMAL CHOPAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Gelişim Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMAD RESHAD NOORI
- Nanokompozit yapıların genel elastik sınır koşullarında dinamik ve stabilite analizleri
Dynamic and stability analyses of nanocomposite structures at general elastic boundary conditions
BÜŞRA UZUN
Doktora
Türkçe
2023
İnşaat MühendisliğiBursa Uludağ Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÖZGÜR YAYLI