تجزیه و تحلیل ارتعاشات غیرخطی تیرهای برداشت کننده ی انرژی مبتنی بر الکترت

پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1040-ISAV2024 (R1)
نویسندگان
دانشگاه صنعتی شریف
چکیده
این مقاله به بررسی دینامیک غیرخطی یک برداشتگر انرژی خازنی مبتنی بر الکترت می‌پردازد، با تمرکز بر حل معادلات حاکم با استفاده از روش‌های نیمه تحلیلی، به‌ویژه روش مقیاس‌های چندگانه. برداشت کننده انرژی دارای یک میکروتیر یکسرگیردار بر فراز یک لایه الکترت است که در آن ولتاژ سطحی، نیروهای الکترواستاتیک غیرخطی را القا می کند. این نیروها با استفاده از بسط تیلور مرتبه سوم برای کاهش پیچیدگی و در عین حال حفظ ویژگی های غیرخطی کلیدی ساده می شوند. روش گالرکین برای گسسته کردن معادلات حاکم، تبدیل آنها به معادلات دیفرانسیل معمولی بر اساس اشکال حالت سیستم استفاده می شود. سپس روش مقیاس‌های چندگانه برای این معادلات کاهش‌یافته برای به دست آوردن راه‌حل‌های تحلیلی تقریبی برای پاسخ دینامیکی سیستم اعمال می‌شود. مقایسه بین معادلات ساده شده و اصلی صحت مدل ساده شده را تایید می کند. این مطالعه ارزش تحلیل غیرخطی پیشرفته را در افزایش عملکرد برداشت‌کننده‌های انرژی خازنی برجسته می‌کند و یک چارچوب قوی برای بهینه‌سازی آنها با استفاده از این روش‌های ترکیبی پیشنهاد می‌کند.
کلیدواژه ها
 
Title
Nonlinear vibration analysis of electret-based energy harvesting beams
Authors
Mohammad Hussein Sharifi, Abdolreza Pasharavesh
Abstract
This paper investigates the nonlinear dynamics of a capacitive electret-based capacitive energy harvester, focusing on solving the governing equations using semi-analytical methods, particularly the method of multiple scales (MMS). The harvester features a cantilever micro-beam above an electret layer, where surface voltage induces nonlinear electrostatic forces. These forces are simplified using a third-order Taylor expansion to reduce complexity while preserving key nonlinear characteristics. The Galerkin method is used to discretize the governing equations, transforming them into ordinary differential equations based on the system's mode shapes. The method of multiple scales (MMS) is then applied to these reduced equations to obtain approximate analytical solutions for the system’s dynamic response. A comparison between the simplified and original equations confirms the simplified model’s accuracy. The study highlights the value of advanced nonlinear analysis in enhancing the performance of capacitive energy harvesters and proposes a robust framework for their optimization using these combined methods.
Keywords
Electret, Method of Multiple Scales, Galerkin Method, Taylor Expansion