26509

بررسي اثر فلكسوالكتريسيته بر برداشت انرژي از نانو تير اويلر-برنولي

كارشناسي ارشد

مهندسي هوافضا- سازه‌هاي هوايي

1398

1400/12/17

روح الله طالبي توتي - كامران دانشجو

مهندسي مكانيك

اثر فلكسوالكتريسيته، به دليل طيف گسترده‌اي از كاربردهاي بالقوه در زمينه‌هاي مختلف، شامل عملگرها، سنسورها، تنظيم خواص لايه‌هاي نازك فروالكتريك و غيره، اخيرا مورد توجه محققان قرار گرفته است. اين پديده كه توصيف كننده كوپل بين گراديان كرنش مكانيكي و قطبش الكتريكي است، به عنوان اثر فلكسوالكتريك مستقيم و در صورتي كه بيانگر، كوپل بين گراديان ميدان الكتريكي و تنش مكانيكي باشد، به عنوان اثر فلكسوالكتريك معكوس شناخته مي‌شود. پژوهش حاضر، به بررسي و مطالعه رفتار ديناميكي غير خطي وابسته به اندازه يك مدل برداشت كننده انرژي فلكسوالكتريك با در نظر گرفتن اثرات گراديان كرنش، الاستيسيته سطح و كشش ضخامت مي‌پردازد. معادلات رياضي حاكم بر مسئله با در نظر گرفتن روابط حاكم بر حجم فلكسوالكتريك، كشش سطح، نظريه ماكسول، قانون گاوس، تئوري تير اويلر-برنولي و همچنين در نظر گرفتن شرايط غير خطي هندسي ون كارمن محاسبه مي‌شود. پس از اعمال اصل همليتون، گسسته سازي معادلات با اعمال روش گلركين حاصل مي‌شود. روش كاهش استاتيكي به منظور كاهش تعداد معادلات معمولي وابسته به زمان اتخاذ شده است. سپس معادلات غير خطي حاصل با استفاده از روش مقياس¬هاي زماني چندگانه به صورت تحليلي حل، و در نتيجه پاسخ فركانسي سيستم در حالت پايدار ايجاد مي‌شود. در نهايت يك مطالعه جامع جهت تجزيه و تحليل رفتار وابسته به اندازه برداشت كننده انرژي نسبت به عوامل تاثير گذار مختلفي چون، اثر كشش ضخامت، اثرات فلكسوالكتريسيته و سطح، مقاومت بار و دامنه تحريك پايه با در نظر گرفتن ضخامت‌هاي مختلف ارائه مي‌شود. نتايج پژوهش حاضر مي‌تواند در راستاي طراحي برداشت كننده انرژي بهينه و با كارايي بالا پيشنهاد شود.

1401/03/02

Flexoelectric effects on energy harvesting of Euler-Bernoulli nano beams

3/8/2023 12:00:00 AM

Flexoelectricity is a universal phenomenon that has gained significant research interest in recent times owing to its vast range of potential applications in diverse fields, that include actuators and sensors, regulating the properties of ferroelectric thin films, etc. It describes the coupling between the mechanical strain gradient and the electric polarization, known as the direct flexoelectric effect or, conversely, the coupling between the electric field gradient and the mechanical stress, which is known as the converse flexoelectric effect. The main objective of this paper is to elucidate the size-dependent nonlinear dynamics behavior of flexoelectric Nano-energy-harvesters taking strain effect, surface elasticity and thickness stretching effect into account. Considering constitutive relations for a flexoelectric bulk, surface elasticity, Maxwell’s theory and Gauss’s law, Euler-Bernoulli beam theorem together with von-Karman nonlinearity is utilized for mathematical formulation of the problem. The obtained governing motion equations throughout Hamiltonian’s principle are then discretized via single-mode discretization based on Galerkin’s approach. Thereafter, static condensation methodology is employed in order to reduce the number of the acquired time-dependent ordinary equations. The resulted nonlinear equations are then solved analytically employing multiple time scales method as a solution approach. Steady-state solution is considered and as a result a frequency-response is achieved for the system. According to the obtained frequency-response, the maximum amplitude of the generated voltage and power are calculated and corresponding curves are presented. A comprehensive numerical investigation is finally implemented to analyze the size-dependent behavior of the harvested energy against various involved factors namely thickness stretching effect, flexoelectricity and surface effects, load resistance and base excitation, considering energy harvesters with different thicknesses. As a prominent result, it is revealed that the thickness stretching effect exhibits a substantial influence on the Nano-scale energy harvester’s dynamics especially for those with lower thicknesses. It is shown that similar to the flexoelectricity and surface effect, the thickness stretching effect is also size-dependent. The results disclose that in addition to the flexoelectric and surface effects, thickness stretching effect could also be considered in mathematical modeling of Nano-scale energy harvesters to modify the conventional models. This might lead us to reach Nano-energy harvesters with high performance and efficiency.

Fateme Ali Akbari

Dr. Roohollah Talebi