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陸少華 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究
揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）前期工作材料
學(xué) 生 姓 名： 陸少華 學(xué)號(hào)： 090007118
教 科 部： 機(jī) 械 力 學(xué)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
設(shè)計(jì)（論文）題目：新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究
指 導(dǎo) 老 師： 龔 俊 杰
材 料 目 錄
序號(hào)
名 稱
數(shù)量
備注
1
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題、審題表
1
2
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
1
3
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）實(shí)習(xí)調(diào)研報(bào)告
1
4
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告（含文獻(xiàn)綜述）
1
5
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯（含原文）
1
6
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表
1
2014 年 3月 12日
揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目申報(bào)表
設(shè)計(jì)（論文）題 目
新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究
題目類型
1
題目來(lái)源
A
面向?qū)I(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造
及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師
龔俊杰
職稱
副教授
學(xué)位
博士
從事專業(yè)
工程力學(xué)
題目簡(jiǎn)介：
本課題首先搭建新型蝴蝶式壓電懸臂梁的振動(dòng)與發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置，研究裝置的固有頻率和在外界激振條件下的輸出發(fā)電電壓情況。運(yùn)用ANSYS有限元軟件，建立發(fā)電裝置的機(jī)電耦合有限元模型，對(duì)新型蝴蝶式壓電懸臂梁在給定激勵(lì)下的模態(tài)、振型，包括應(yīng)力、應(yīng)變等進(jìn)行有限元計(jì)算。在有限元分析的基礎(chǔ)上，對(duì)蝴蝶式懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式、壓電片的分布等進(jìn)行參數(shù)化研究，分析支撐結(jié)構(gòu)的組成形式、壓電陶瓷的數(shù)量、厚度、排列方式等參數(shù)對(duì)輸出應(yīng)變大小的影響，最終確定最合理的設(shè)計(jì)方案。
審核意見：
審核人簽名：
年 月 日
題目類型－－1、為結(jié)合科研；2、為結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際；3、為結(jié)合大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃；
4、為結(jié)合學(xué)科競(jìng)賽；5、模擬仿真；6、其它
題目來(lái)源－－A.指導(dǎo)教師出題 ； B.學(xué)生自定、自擬
揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
教 科 部： 機(jī) 械 力 學(xué)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名: 陸 少 華 學(xué)號(hào): 090007118
畢業(yè)（論文）題目：新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究
起 迄 日 期： 2014.2.22-2014.6.7
設(shè)計(jì)（論文）地點(diǎn)： 學(xué)院機(jī)房、結(jié)構(gòu)測(cè)試與分析研究室
指 導(dǎo) 老 師： 龔 俊 杰
專 業(yè) 負(fù) 責(zé) 人：
發(fā)任務(wù)書日期： 2014年 2月22日
揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院本科生畢業(yè)論文任務(wù)書
論文題目
新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究
年級(jí)
大四
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造
及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名
陸少華
學(xué)號(hào)
090007118
主要內(nèi)容：
1.能夠運(yùn)用現(xiàn)代的測(cè)試設(shè)備與儀器進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)的測(cè)試與處理，能夠熟練運(yùn)用大型有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析并能夠簡(jiǎn)單的改進(jìn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)；
2.搭建新型蝴蝶式壓電懸臂梁的振動(dòng)與發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置，研究裝置的固有頻率和在外界激振條件下的輸出發(fā)電電壓情況。運(yùn)用ANSYS有限元軟件，建立發(fā)電裝置的機(jī)電耦合有限元模型，對(duì)新型蝴蝶式壓電懸臂梁在給定激勵(lì)下的模態(tài)、振型，包括應(yīng)力、應(yīng)變等進(jìn)行有限元計(jì)算；
3. 在有限元分析的基礎(chǔ)上，對(duì)蝴蝶式懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式、壓電片的分布等進(jìn)行參數(shù)化研究，分析支撐結(jié)構(gòu)的組成形式、壓電陶瓷的數(shù)量、厚度、排列方式等參數(shù)對(duì)輸出應(yīng)變大小的影響，最終確定最合理的設(shè)計(jì)方案；
4.查閱文獻(xiàn)15篇以上，翻譯不少于5000印刷符的英文資料；
5.撰寫開題報(bào)告：包括工作任務(wù)分析、調(diào)研報(bào)告或文獻(xiàn)綜述、方案擬定與分析以及實(shí)施計(jì)劃等；
6.撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于1萬(wàn)字。
主要任務(wù)及基本要求（包括指定的參考資料）：
主要任務(wù)及基本要求：
1、撰寫開題報(bào)告：包括工作任務(wù)分析、調(diào)研報(bào)告或文獻(xiàn)綜述、方案擬定與分析以及實(shí)施計(jì)劃等；
2、查閱文獻(xiàn)14篇以上，翻譯不少于5000印刷符的英文資料；
3、熟練運(yùn)有限元分析軟件；
4、能夠運(yùn)用MSC/DYTRAN或ANSYS有限元軟件建立簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過(guò)計(jì)算獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布規(guī)律；
5、撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于1萬(wàn)字。
主要參考文獻(xiàn)：
[1]溫志渝，溫中泉等，振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)及其在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[Z],國(guó)家“863”資助項(xiàng)目.
[2]伍曉明 ,方華軍等，用于振動(dòng)能量收集的 MEMS壓電懸臂梁[J]，功能材料與器件學(xué)報(bào)，2008.04(02)：467-471.
[3]唐可洪,闞君武等，遙控器用壓電發(fā)電裝置的供電特性[J]，光學(xué)精密工程，2008.01（01）：92-96.
[4]闞君武 ,唐可洪等，壓電懸臂梁發(fā)電裝置的建模與仿真分析[J]，光學(xué)精密工程，2008.01（01）：71-75.
[5]方科, 李欣欣等，壓電式能量獲取裝置的研究現(xiàn)狀[J]，傳感器與微系統(tǒng)，2006（10）：7-15.
[6]袁江波，謝濤等，壓電俘能技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述[J]，振動(dòng)與沖擊，2009.10（10）：36-41.
[7]魏雙會(huì),褚金奎, 杜小振，壓電發(fā)電器建模研究[J]，傳感器與微系統(tǒng)，2008（06）：27-30.
[8]林玲，劉輝，壓電發(fā)電技術(shù)研究應(yīng)用[M]，應(yīng)用科學(xué).
[9]王光慶，壓電疊堆式發(fā)電裝置的建模與仿真分析[J]，中國(guó)機(jī)械工程，2009.10上（19）：2298-2304.
[10]楊擁民，張玉光等，基于壓電陶瓷的振動(dòng)能量捕獲技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]，中國(guó)機(jī)械工程，2009.1上（1）：113-117.
[11]Salem Saadon , Othman Sidek，A review of vibration-based MEMS piezoelectric energy harvesters[J]，Energy Conversion and Management，2011（52），500-504.
[12]Tao Yang, Yi Lin, Xianji Tan, and Yuehui Feng，Modeling and Analysis of Piezoelectric Bimorph Cantilever Used for Vibration Energy Harvesting[J]，IEEE，2010.6：1783-1788.
[13]D. Bla?evi_, S. Zelenika and G. Gregov，Mechanical analysis of piezoelectric vibration energy harvesting devices[J]，MIPRO,2010.5:122-126.
[14]Z. S. Chen, Y. M. Yang and G. Q. Deng，Analytical and Experimental Study on Vibration Energy Harvesting Behaviors of Piezoelectric Cantilevers with Different Geometries[M], National Natural Science.
[15]Lenk,A. Elektromechanische Systrme. Band 2:Systeme mit verteilten Parametern［M］Berlin：VEB verlag Technik,1977．
發(fā)出任務(wù)書日期： 2014年2月22日 完成期限：2014年6月4日
指導(dǎo)教師簽名： 專業(yè)主任簽名：
年 月 日
揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）實(shí)習(xí)調(diào)研報(bào)告
學(xué) 生 姓 名： 陸少華 學(xué)號(hào)： 090007118
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指 導(dǎo) 老 師： 龔 俊 杰
參觀實(shí)習(xí)報(bào)告
2014年3月26日，在老師的帶領(lǐng)下我們來(lái)到了揚(yáng)州保來(lái)得科技實(shí)業(yè)有限公司，這也是我們畢業(yè)前的最后一次參觀實(shí)習(xí)。這次實(shí)習(xí)也讓我在進(jìn)入社會(huì)之前積累了不少的經(jīng)驗(yàn)。大學(xué)是一個(gè)教育我、培養(yǎng)我、磨練我的圣地，我為我能在此生活而倍感榮幸。而社會(huì)是一個(gè)很好的鍛煉人的基地，能將學(xué)校學(xué)的知識(shí)聯(lián)系于社會(huì)。實(shí)習(xí)是學(xué)生接觸社會(huì)，了解社會(huì)，服務(wù)社會(huì)，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)實(shí)習(xí)自我的最好途徑。親身實(shí)習(xí)，而不是閉門造車。實(shí)現(xiàn)了從理論到實(shí)習(xí)再到理論的飛躍。增強(qiáng)了認(rèn)識(shí)問(wèn)題，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力。為認(rèn)識(shí)社會(huì)，了解社會(huì)，步入社會(huì)打下了良好的基礎(chǔ)。
一 、實(shí)習(xí)目的：
對(duì)于一名大學(xué)生來(lái)說(shuō)畢業(yè)實(shí)習(xí)是一個(gè)很關(guān)鍵的學(xué)習(xí)內(nèi)容，也是一個(gè)很好的鍛煉機(jī)會(huì)。對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，平常學(xué)到的都是書面上的理論知識(shí)，而畢業(yè)實(shí)習(xí)正好就給了我們一個(gè)在投身社會(huì)工作之前把理論知識(shí)與實(shí)際設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)的機(jī)會(huì)，畢業(yè)實(shí)習(xí)作為學(xué)校老師為我們安排的在校期間最后一次全面性、總結(jié)性的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，它既讓我們看到實(shí)際生活中設(shè)計(jì)生產(chǎn)狀況，也是我們?cè)诰蜆I(yè)之前的“實(shí)戰(zhàn)預(yù)演”，我們可以從中看到的不僅僅是一個(gè)車間的生產(chǎn)運(yùn)作過(guò)程，還有大量實(shí)際設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，以及我們還十分缺乏的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)都包含在每個(gè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)實(shí)習(xí)能夠使我們更好的完善自己。畢業(yè)實(shí)習(xí)很短，但無(wú)論是對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)還是今后的工作，都帶來(lái)了很大的幫助。
二、企業(yè)簡(jiǎn)介：
揚(yáng)州保來(lái)得科技實(shí)業(yè)有限公司是由保來(lái)得（香港）工業(yè)股份有限公司與揚(yáng)州盛得機(jī)械有限公司于1992年合資成立，總投資額為6168萬(wàn)美元,注冊(cè)資本2221.05萬(wàn)美元。產(chǎn)品70%以上外銷,現(xiàn)年銷售額達(dá)6億RMB。公司專業(yè)生產(chǎn)高精度、高品質(zhì)的粉末冶金專業(yè)制品，產(chǎn)品涵蓋汽車零部件、電動(dòng)工具零件、家電零件、OA零件和電機(jī)含油軸承等，主要應(yīng)用于微電機(jī)、家用電器、電動(dòng)工具、減震器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件等領(lǐng)域。
三、實(shí)習(xí)內(nèi)容：
來(lái)到車間首先看到的是一臺(tái)臺(tái)機(jī)床在工人師傅的操作下生產(chǎn)在一件件產(chǎn)品。對(duì)于未入社會(huì)的我們來(lái)說(shuō)很少有機(jī)會(huì)能夠自己親眼看見一件產(chǎn)品的誕生，而這次實(shí)習(xí)最主要的內(nèi)容就是讓我們了解產(chǎn)品從加工到銷售的一系列過(guò)程。在參觀實(shí)習(xí)的過(guò)程中遇到了很多在書本上學(xué)到的理論知識(shí)的應(yīng)用，而通過(guò)這些實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的參觀，讓我對(duì)理論知識(shí)的理解得到了進(jìn)一步的升華?？粗と藥煾凳炀毜牟僮骷记啥鳛橐幻麤]有什么操作經(jīng)驗(yàn)的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，這些都是我們要學(xué)習(xí)的?？粗粡垙埡?jiǎn)單而又復(fù)雜的設(shè)計(jì)圖紙，我知道我們要走的路還有很長(zhǎng)。
四、實(shí)習(xí)總結(jié)：
短短的實(shí)習(xí)參觀，雖然說(shuō)沒有深入的了解其中的原理，但是也讓我認(rèn)識(shí)到光有理論知識(shí)沒有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)于機(jī)械行業(yè)來(lái)說(shuō)是不行的。想要在機(jī)械行業(yè)做得好不僅需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，也需要不怕苦的精神，吃的苦中苦，方位人上人。也是通過(guò)這次實(shí)習(xí)讓我明白眼高手低在機(jī)械行業(yè)是行不通的，除非你永遠(yuǎn)只想在底層工作。作為即將畢業(yè)的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，缺少實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)是我們最大的短處，如何避免短處就需要我們自己刻苦的努力來(lái)彌補(bǔ)這一短處。?
揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名： 陸少華 學(xué) 號(hào)：090007118
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
設(shè)計(jì)(論文)題目： 新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究
指 導(dǎo) 老 師： 龔 俊 杰
2014年 3 月 12 日
揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
設(shè)計(jì)（論文）題 目
新型蝴蝶式壓電懸臂梁的發(fā)電性能研究
題目來(lái)源
指導(dǎo)老師出題
題目類型
為結(jié)合科研
指導(dǎo)教師
龔俊杰
學(xué)生姓名
陸少華
學(xué) 號(hào)
090007118
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
開題報(bào)告內(nèi)容：（調(diào)研資料的準(zhǔn)備與總結(jié)，研究目的、要求、思路與預(yù)期成果；任務(wù)完成的階段、 內(nèi)容及時(shí)間安排；完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所具備的條件因素等。）
本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的：
（1）培養(yǎng)學(xué)生的調(diào)查研究以及資料、信息的獲取、分析等綜合能力；
（2）培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，主要包括設(shè)計(jì)、計(jì)算及繪圖能力；
（3）培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)，分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力；
（4）培養(yǎng)學(xué)生的在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用計(jì)算機(jī)的能力；
（5）培養(yǎng)學(xué)生的撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書、論文的能力；
（6）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。
本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃：
起止日期
工 作 內(nèi) 容
2014-02-22~2014-03-31
2014-04-1～2014-05-30
2014-06-01～2014-06-07
畢業(yè)設(shè)計(jì)開始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實(shí)習(xí)調(diào)研和實(shí)習(xí)報(bào)告，完成開題報(bào)告；
進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)有限元軟件的使用方法、進(jìn)行理論計(jì)算與有限元模擬、分析模擬結(jié)果，接收畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文；
修改完善畢業(yè)論文、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的所有資料、成果并歸檔。
文 獻(xiàn) 綜 述
1、引 言
能源問(wèn)題是當(dāng)今最為關(guān)注的問(wèn)題之一，各國(guó)科技工作者一直在努力尋找和開發(fā)新能源來(lái)解決缺乏和使用傳統(tǒng)能源時(shí)存在的問(wèn)題。利用環(huán)境中的能量及人力發(fā)電為便攜式微功率電器及無(wú)線傳感器等提供實(shí)時(shí)的電能供給已成為國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn) 。獲得電能的有效方法之一是利用壓電 、電磁及靜電原理捕獲環(huán)境中的機(jī)械能。與其它發(fā)電原理相比,壓電發(fā)電的最大優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制作成各種所需尺寸和形狀,便于與微系統(tǒng)集成或置于微機(jī)電系統(tǒng)的內(nèi)部。然而,目前壓電發(fā)電的輸出功率依然很有限,嚴(yán)重地阻礙了這一技術(shù)的更廣泛應(yīng)用,如何有效地提高壓電發(fā)電裝置的發(fā)電能力是未來(lái)幾年需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
利用每一種發(fā)電原理構(gòu)造的發(fā)電裝置都有其自身的特點(diǎn)和適用領(lǐng)域。壓電發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不發(fā)熱、無(wú)電磁干擾、易于加工制作和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微小化、集成化等,尤其適用于各類傳感及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本課題提出利用新型蝴蝶式壓電懸臂梁型振子將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。通過(guò)參考一定的文獻(xiàn)了解壓電發(fā)電的可行性，這將涉及到材料力學(xué)、理論力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等各方面學(xué)科的結(jié)合應(yīng)用。
2、壓電發(fā)電的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀
傳統(tǒng)的發(fā)電裝置有兩種：電磁感應(yīng)發(fā)電與化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，電磁感應(yīng)發(fā)電主要有風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、火力發(fā)電等?；瘜W(xué)反應(yīng)發(fā)電有燃料電池發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等。而隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)綠色能源的需求日益增長(zhǎng)，而壓電發(fā)電就是這種新型的能源發(fā)電裝置。對(duì)于壓電發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)將向微能源器件、與其他技術(shù)集成,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自供電、與旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)合這些方面發(fā)展。
而對(duì)于壓電裝置的應(yīng)用不僅僅只能用來(lái)發(fā)電，可以結(jié)合其他的設(shè)備和科技成果進(jìn)行新的應(yīng)用，如壓電發(fā)電技術(shù)與旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)合、壓電式袖珍風(fēng)車、壓電發(fā)電鞋等等，都是對(duì)于壓電裝置的巧妙結(jié)合與應(yīng)用。而對(duì)于本次討論的主要為壓電裝置在發(fā)電方面的研究，新型蝴蝶式壓電懸臂梁是這方面典型的例子，對(duì)于壓電裝置首要的注意是壓電材料的選擇。
3、壓電材料的選擇
壓電材料對(duì)振動(dòng)能量捕獲能力起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)前,壓電材料分為以下幾類:非鐵電性壓電晶體、鐵電性壓電晶體、壓電陶瓷、無(wú)機(jī)壓電鐵電薄膜、壓電聚合物、壓電復(fù)合材料。其中最常用的壓電材料是鋯鈦酸鉛，又稱PZT，另一種常用壓電材料為聚偏氟乙烯（PVDF）.PZT薄膜和MEMS體硅工藝結(jié)合可以研制出壓電振動(dòng)能量收集器。可用于能量收集與轉(zhuǎn)化的環(huán)境能量有太陽(yáng)能、振動(dòng)機(jī)械能、溫度梯度等等。其中太陽(yáng)能的利用已經(jīng)商業(yè)化,其他能源的收集技術(shù)仍在研究中。振動(dòng)機(jī)械能是一種存在范圍很廣的能量形式,尤其在許多人們比較難以進(jìn)入的地方都有振動(dòng)源存在,研究振動(dòng)能量收集技術(shù)具有更普遍的意義。
4、國(guó)內(nèi)外壓電發(fā)電研究的發(fā)展趨勢(shì)
針對(duì)壓電式能量獲取裝置的特殊優(yōu)點(diǎn),國(guó)外已有很多研究機(jī)構(gòu)和著名大學(xué)在這方面展開了研究,如賓夕法尼亞州立大學(xué)的鐃鈸換能器、華盛頓大學(xué)的P3 微熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、麻省理工學(xué)院的微水動(dòng)力傳感器、法國(guó)TIMA實(shí)驗(yàn)室的懸臂量式壓電發(fā)電機(jī)等。維基尼亞科學(xué)家利用壓電材料制作的發(fā)電系統(tǒng)給電池充電，壓電振子在諧振工作條件下給一個(gè)40mAh電池充電時(shí)間不到1小時(shí)，利用隨機(jī)頻率充電需要個(gè)半小時(shí)的結(jié)果。
在國(guó)內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)也已經(jīng)開始研究壓電發(fā)電的開發(fā)與應(yīng)用，壓電發(fā)電應(yīng)用的領(lǐng)域廣泛，可以在無(wú)線傳感器，微型電子器械以及遙控器等方面得到很好的應(yīng)用。重慶大學(xué)的溫志渝，溫中泉等教授學(xué)者已對(duì)壓電發(fā)電在無(wú)線傳感器中的應(yīng)用進(jìn)行了比較全面的論述。吉林大學(xué)的唐可洪,闞君武等教授學(xué)者也對(duì)壓電發(fā)電應(yīng)用與遙控器中提出了相應(yīng)的模型與理論分析。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于壓電發(fā)電的研究已經(jīng)比較成熟，很多機(jī)構(gòu)與科研人員也在這基礎(chǔ)上對(duì)壓電發(fā)電進(jìn)一步的進(jìn)行改進(jìn)。
5、壓電發(fā)電的理論分析與研究
而對(duì)于壓電發(fā)電裝置在現(xiàn)實(shí)中能否，最主要的是首先進(jìn)行建模與仿真分析，一般采用ANSYS軟件?；谇叭说难芯浚滦秃綁弘姂冶哿喊l(fā)電是對(duì)已有壓電發(fā)電裝置的應(yīng)用與改進(jìn)。吉林大學(xué)闞君武等教授學(xué)者建立了單、雙晶壓電梁發(fā)電能力的仿真分析模型,研究了結(jié)構(gòu)尺寸、激勵(lì)方式及材料性能等對(duì)其發(fā)電能力的影響規(guī)律。研究表明,在基板材料及激勵(lì)條件相同時(shí),存在不同的最佳厚度比使單、雙晶壓電梁發(fā)電能力最大,雙晶梁的最大發(fā)電量約為單晶梁的2倍?；宀牧喜煌瑫r(shí),最佳厚度比隨著楊氏模量比增加而減小,鋁、鉬基板構(gòu)成的單、雙晶壓電梁的最佳厚度比分別為(0. 7 ,0. 35) 和(0. 45 ,0. 2) 。在相同的厚度比及外界激勵(lì)條件下,楊氏模量比對(duì)兩種壓電梁發(fā)電能力的影響不同,楊氏模量比低于3. 3 時(shí),雙晶梁的發(fā)電量均大于單晶梁。
每種現(xiàn)實(shí)的科學(xué)成果都有相應(yīng)理論的支持。當(dāng)壓電晶體在外力作用下發(fā)生形變時(shí),在它的某些表面上出現(xiàn)異號(hào)極化電荷,這種沒有電場(chǎng)作用,只是由于應(yīng)變或應(yīng)力,在晶體內(nèi)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)在壓電晶體上加一電場(chǎng)時(shí),晶體不僅要產(chǎn)生極化,還要產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力,這種由電場(chǎng)產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是壓電發(fā)電的基本原理，而對(duì)于壓電效應(yīng)的研究國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)有了比較成熟的研究成果。
很多科研機(jī)構(gòu)與研究人員對(duì)于壓電發(fā)電的研究已經(jīng)不僅僅局限與理論的研究，而是已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，理論的研究是對(duì)于實(shí)踐應(yīng)用的一部分，壓電效應(yīng)就是一個(gè)很好的例子，人們通過(guò)對(duì)于壓電效應(yīng)的分析與研究提出了壓電發(fā)電的設(shè)想，并且成功的應(yīng)用于實(shí)踐。
6、結(jié) 論
壓電發(fā)電裝置未來(lái)將成為一種主流的發(fā)電形式，而現(xiàn)在由于一些條件的限制，壓電發(fā)電能的應(yīng)用還局限于一定的范圍，然而隨著科技的發(fā)展與各國(guó)科技人員的努力，壓電發(fā)電這種新型的環(huán)保的發(fā)電方式必將得到更廣的應(yīng)用。人們對(duì)與壓電發(fā)電的研究也在進(jìn)一步的深入，例如哈爾濱大學(xué)的袁江波等教授學(xué)者將對(duì)高性能的壓電材料的選擇進(jìn)一步的討論研究。新型蝴蝶式壓電懸臂梁發(fā)電是基于壓電發(fā)電理論的一種深入研究應(yīng)用，也是對(duì)于壓電發(fā)電的綜合應(yīng)用。
相對(duì)于傳統(tǒng)能源，壓電發(fā)電的發(fā)展將成為一種新型能源的存在，它將解決傳統(tǒng)能源污染嚴(yán)重，填補(bǔ)現(xiàn)階段能源不足的問(wèn)題。
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本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）
一 、本課題要研究或解決的問(wèn)題：
目前，利用外界振動(dòng)通過(guò)壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電流為交流電，其缺點(diǎn)是不連續(xù)、不規(guī)則。在工程應(yīng)用中，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的匹配電路，采用橋式整流電路，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，將產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來(lái)，經(jīng)一定時(shí)間的充電，達(dá)到足夠的量時(shí)方可供應(yīng)外部負(fù)載使用。
能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括選擇壓電材料、設(shè)計(jì)和外部振動(dòng)頻率接近的壓電振子及支撐方式、設(shè)計(jì)高效的電能收集和儲(chǔ)存電路系統(tǒng)等。
目前的驗(yàn)證性演示主要是驅(qū)動(dòng)一些照明或顯示器。要有大的發(fā)電量，在技術(shù)上應(yīng)該沒有太大的障礙，主要還是成本和效益問(wèn)題。如何進(jìn)一步提高發(fā)電效率，大幅度降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性和耐用性，這些都是十分重要的難題。
將壓電發(fā)電技術(shù)真正應(yīng)用于生活，這些都是需要我們進(jìn)一步努力研究的。
二 、采用的研究手段
（1） 通過(guò)參考一定的相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)壓電發(fā)電現(xiàn)狀有一定的了解，從而確定壓電發(fā)電是否可行。
（2） 通過(guò)ANSYS、Solidworks軟件進(jìn)行理論分析與建模，記錄理論分析數(shù)據(jù)。
（3） 通過(guò)對(duì)實(shí)踐活動(dòng)中的具體情況，進(jìn)行歸納與分析。
（4） 對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行分析研究從而來(lái)完善自己的課題。
（5） 結(jié)合老師的指導(dǎo)與幫助，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與研究進(jìn)行一定的修正與完善，最后達(dá)到研究的目的
揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯
教 科 部： 機(jī) 械 制 造
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
姓 名： 陸 少 華
學(xué) 號(hào)： 090007118
外 文 出 處：
附 件：
指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ)
簽名：
年 月 日
原文：
Mechanical Testing : tension Test and Other Basic Tests
4.1 INTRODUCTION
4.2 INTRODUCTION TO TENSION TEST
4.3 ENGINEERING STRESS –STRAIN PROPERTILES
4.4 TRENDS IN TENSILE BEHAVIOR
4.5 TRUE STRESS –STRAIN INTERPRETATION OF TENSION TEST
4.6 CMPRESSION TEST
4.7 HARDNESS TESTS
4.8 NOTCH-IMPACT TESTS
4.9 BENDING AND TORSION TESTS
4.10 SUMMARY
OBJECTIVES
? Become familiar with the basic types of mechanical tests, including tests in tension compression, indentation hardness , notch impact, bending ,and torsion .
? Analyze date from tension tests to determine materials properties, including both engineering properties and true stress-strain properties .
? Understand the significance of the properties obtained from basic mechanical tests, and explore some of the major trends in behavior that are seen in these tests.
4.1 INTRODUCTION
Samples of engineering materials are subjected to a wide variety of mechanical tests to measure their strength or other properties of interest .Such samples, called specimens, are often broken or grossly deformed in testing. Some of the common forms of test specimen and loading situation are (a). Compression tests (b) are also common. In engineering, hardness is usually defined in terms of resistance of the material to penetration by a hard ball or point, as in (c). Various forms of bending test are also often used ,as is torsion of cylindrical rods or tubes.
The simplest test specimens are smooth (unnotched) ones, as illustrated in Fig.4.2(a). More complex geometries can be used to produce conditions resembling those in actual engineering Components, Notches that have a definite radius at the end may be machined into test specimens, as in (b). The term notch is used here in a generic manner to indicate any notch , hole , groove , slot ,etc., that has the effect of a stress raiser . Sharp notches that behave similar to cracks are also used, as well as actual cracks that are introduced into the specimen prior to testing ,as in (c) .
Figure 4.1 Geometry and loading situations commonly employed in mechanical testing of materials (a) tension,(b) compression, (c) indentation hardness,(d)cantilever bending,(e) three-point bending,(f) four-point bending, and (g) torsion
Figure 4.2 Three classes of test specimen : (a) smooth or unnotched, (b) notched ,and (c) precracked .
To understand mechanical testing, it is first necessary to briefly consider materials testing equipment and standard test methods. We will then discuss tests involving tension , compression, indentation, notch impact ,bending, and torsion .Various more specialized tests are discussed in later chapters in connection with such topics as brittle fracture ,fatigue, and creep.
4.2 INERODUCTION TO TENSION TEST
A tension test consists of slowly pulling a sample of material with an axial force, as in Fig 4.1(a), until it breaks. This section of the chapter provides an introduction to the methodology for tension tests, as well as some additional comments. Sections that follow discuss tension testing in more detail, after which other types of test are considered.
Figure4.5 ensile specimens of metals(left to right): untested specimen with 9 mm diameter test section, and broken specimens of gray cast iron ,aluminum alloy 70575-T651,and hot-rolled AISI 1020 steel.(Photo by R.A simonds.)
4.2.1 Test Methodology
The test specimen used may have either a circular or a rectangular cross section, and its ends are usually enlarged to provide extra area for gripping and to avoid having the sample break where it is being gripped. Specimens both before and after testing are shown for several metals and polymers in Fig.4.5 and 4.6.
Methods of gripping the ends vary with specimen geometry. A typical arrangement for threaded-end specimens id shown in Fig.4.7.Note that spherical bearings are used at each end to provide a pure tensile force, with no undesirable bending. The usual manner of conducting the test is to deform the specimen at a constant speed. For example, in the universal testing machines of Fig.4.3, the motion between the fixed and moving crossheads can be controlled at a constant speed. Hence, distance h in Fig.4.7 is varied so that
The axial force that must be applied to achieve this displacement rate varies as the test proceeds.
This force P may be divided by the cross-sectional area Ai to obtain the stress in the specimen at
Any time during the test:
Figure4.6 Tensile specimens of polymers (left to right): Untested specimen with a 7.6 mm diameter test section, a partially tested specimen of high-density polyethylene (HDPE), and broken specimens of nylon 101 and Teflon (PTFE). (photo by R.A.Simonds.)
Displacements in the specimen are measured within a straight central portion of constant cross section over a gage length li, as indicated in Fig.4.7.Strain ε be computed from the change in this length ,ΔL;
4.2
Stress and strain, based on the initial (undeformed) dimensions, Ai and Li, as just presented, are called engineering stress and strain.
Figure 4.7 typical grips for a tension test in a universal testing machine.( adapted from [AMST 97] Std.E8;copyright C ASTM; reprinted with permission.)
It is sometimes reasonable to assume that all of the grip parts and the specimen ends are nearly rigid .In this case ,virtually all of the change in crosshead motion is due to deformation within the straight section of the test specimen, so that ΔL is approximately the same as Δh, the change In h ,strain may therefore be estimated as ε=Δh/li, However, actual measurement of ΔL is preferable.
Strain ε as calculate from Eq.4.2 is dimensionless. As a convenience, strains are sometimes given as percentages, where ε%=100ε.Strain may also be expressed in millionths, called microstrain, where εu=100ε. If strains are given as percentages or as percentages or as microstrain , then, prior to using the value for most calculations, it is necessary to convert to the dimensionless from ε.
The principal result obtained from a tension test is a graph of engineering stress versus engineering strain for the entire test, called a stress-strain curve. With the use of digital computers in the laboratory ,the form of date is a list of numerical values of stress and strain, as sampled at short time intervals during the test. Stress-strain curves vary widely for different materials. Brittle behavior in a tension test is failure without extensive deformation. Gray cast iron, glass, and some polymers, such as PMMA (acrylic), are examples of materials with such behavior. A stress-strain curve for gray iron is shown in Fig.4.8.Othermaterials exhibit ductile behavior, failing in tension only after extensive deformation. Stress-strain curves for ductile behavior in engineering metals and some polymers are similar to Figs. 4.9 and 4.10,respectively.
Figure4.8 Stress-strain curve for gray cast iron in tension, showing brittle behavior.
Figure4.9 schematic of the engineering stress-strain curve of a typical ductile metal that exhibits necking behavior. Necking begins at the ultimate stress point.
譯文：
機(jī)械性能試驗(yàn)：拉伸試驗(yàn)和其他基本測(cè)試
4.1 引言
4.2 拉伸試驗(yàn)介紹
4.3 工程應(yīng)力應(yīng)變特性
4.4 拉伸行為趨勢(shì)
4.5拉伸試驗(yàn)的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變解釋
4.6壓縮試驗(yàn)
4.7硬度試驗(yàn)
4.8抗缺口沖擊試驗(yàn)
4.9點(diǎn)彎曲和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)
4.10概要
目 標(biāo)：
l 熟悉機(jī)械試驗(yàn)的基本類型，包括拉壓、壓痕硬度、抗缺口沖擊、彎曲和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。
l 分析拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)確定材料的性能，包括工程特性與真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變特性。
l 從基本力學(xué)試驗(yàn)中了解性能實(shí)驗(yàn)的意義，以及從這些試驗(yàn)中探索一些行為中的主要趨勢(shì)。
4.1 引言
材料的樣品往往要進(jìn)行各種各樣的機(jī)械試驗(yàn)，以衡量他們的強(qiáng)度、性能之間的厲害關(guān)系。這樣的樣品，稱為標(biāo)本，這些樣本在試驗(yàn)中經(jīng)常被破壞或者嚴(yán)重變形。一些常見形式的試驗(yàn)樣品和載荷情況如（a）所示。（b）情況在壓縮試驗(yàn)中也很常見。在工程中，硬度通常被定義為材料的抗?jié)B透硬質(zhì)球或點(diǎn)，如（c）所示。扭轉(zhuǎn)圓柱棒或管在各種形式的彎曲試驗(yàn)也經(jīng)常使用。
最簡(jiǎn)單的試樣是光滑的（無(wú)缺口），如圖4.2（a）所示。更復(fù)雜的幾何形狀可以用來(lái)生產(chǎn)類似那些在實(shí)際工程元件軸凹口具有一定半徑的端部的情況，可被加工成如（b）所示的試樣。凹口這個(gè)術(shù)語(yǔ)在這里是對(duì)所有切口，孔，槽，縫隙等籠統(tǒng)的表示，這些都是由于應(yīng)力集中所帶來(lái)的影響。鋒利的凹口表現(xiàn)為類似于裂紋的被使用，實(shí)際的裂紋被引入到測(cè)試前的樣品中，如（c）所示。
圖4.1
圖4.1中的幾何和載荷情況是在材料力學(xué)性能測(cè)試中普遍采用，有（a）拉伸，（b）壓縮，（c）壓痕硬度，（d）懸臂彎曲，（e）三點(diǎn)彎曲，(f)四點(diǎn)彎曲以及（g）扭轉(zhuǎn)
圖4.2 試驗(yàn)樣品
圖4.2中的三類試驗(yàn)樣品為（a）光滑或無(wú)缺口樣品，（b）有缺口樣品以及（c）預(yù)制裂紋樣品。
要了解機(jī)械測(cè)試，首先有必要簡(jiǎn)要地研究材料試驗(yàn)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。然后，我們將討論包括拉伸，壓縮，壓痕，缺口沖擊，彎曲和扭轉(zhuǎn)測(cè)試。各種更專業(yè)的測(cè)試將在后面的章節(jié)中有討論，這樣的課題有脆斷裂，疲勞和蠕變。
4.2 拉伸試驗(yàn)介紹
拉伸試驗(yàn)包括在一個(gè)軸向力方向慢慢提拉材料試樣直到其斷裂，如圖4.1（a）所示。本章節(jié)將介紹進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的方法，以及一些附加注解。跟隨討論更詳細(xì)的拉力試驗(yàn)，之后在考慮其他的測(cè)試。
圖4.5拉伸試樣金屬
圖4.5 所示為拉伸試樣的金屬（左到右）：未經(jīng)測(cè)試的9毫米直徑的測(cè)試段試樣，破壞的灰鑄鐵標(biāo)本，70575-T651鋁合金和AISI1020熱軋鋼（圖片由R.A.Simonds.提供。）
4.2.1測(cè)試方法
所使用的試樣可以是圓形或矩形的橫截面，其兩端通常需要加粗來(lái)為夾持提供額外的面積，以避免樣本在被夾持處斷裂。圖.4.5和4.6中的多種金屬和聚合物所示為測(cè)試之前和之后的兩個(gè)樣品。
試樣的幾何形狀不同抓住兩端的方式也有所不同。螺紋端的典型布置id標(biāo)本試樣如圖4.7所示。需要注意的是球軸承主要用在每個(gè)末端，以提供純粹拉伸力，沒有不需要的彎曲。通常進(jìn)行的測(cè)試方式是在一個(gè)恒定的速度下變形試樣。例如圖4.3中的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)固定和移動(dòng)十字頭之間的運(yùn)動(dòng)可以以恒定的速度控制。因此，在圖4.7的距離h的變化，滿足
必須施加以達(dá)到這個(gè)位移速率變化的軸向力作為測(cè)試所得。這個(gè)力P可以表示為截面積ai被劃分在測(cè)試過(guò)程中的任何時(shí)間段所獲得的應(yīng)力：
圖4.6 拉伸式樣的聚合物
圖4.6 所示為拉伸式樣的聚合物（左至右）：未經(jīng)測(cè)試的7.6毫米直徑的試驗(yàn)段樣品，高密度聚乙烯的局部測(cè)試樣品(HDPE)，以及斷裂的101尼龍和聚四氟乙烯樣品。（圖片由R.A.Simonds.提供）
試件原長(zhǎng)Li是通過(guò)量具沿著等截面的圓柱部分測(cè)量得到的,如圖4.2所示。應(yīng)變?chǔ)趴梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算長(zhǎng)度ΔL的變化來(lái)表示：
4.2
應(yīng)力和應(yīng)變，根據(jù)初始（未變形）的尺寸，正如剛才提出的Ai和Li，被稱為工程應(yīng)力應(yīng)變。
圖4.7
圖4.7所示為典型的夾在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的拉伸試驗(yàn)。（改編自[AMST97] Std.E8;版權(quán)：?ASTM;許可轉(zhuǎn)載）
有時(shí)合理假設(shè)所有的控制部件和樣品幾乎都是剛性的，在這種情況下,幾乎所有的十字頭運(yùn)動(dòng)是由于試樣的直線部分內(nèi)的變形而變化，使ΔL和Δh大體相同，在計(jì)算h的變化時(shí)，應(yīng)變可估算為ε=Δh/li，但是，在實(shí)際中ΔL是可以直接測(cè)得的。應(yīng)變?chǔ)诺挠?jì)算來(lái)自Eq.4.2是無(wú)量綱。為方便起見，應(yīng)變有時(shí)給定為百分之一，其中ε（％）=100ε。應(yīng)變也可能表現(xiàn)以百萬(wàn)分之一，被稱為微應(yīng)變，其中εu=100ε。如果應(yīng)變以百分?jǐn)?shù)形式，或以百分比或作為微應(yīng)變給出，那么，對(duì)于大多數(shù)的計(jì)算在使用前的值，有必要轉(zhuǎn)換為來(lái)自