《基於拓撲最佳化的壓電俘能器設計理論研究》是依託中山大學，由林哲祺擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於拓撲最佳化的壓電俘能器設計理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：林哲祺
- 依託單位：中山大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
壓電俘能器的工作效率與壓電結構拓撲構型以及負載電路息息相關。單方面進行壓電結構構型設計或負載電路設計都無法獲得最佳性能的壓電俘能系統。因此，在俘能器設計階段，需要將壓電結構與電路有效地連線在一起，進行整體分析和協同最佳化。本課題研究建立基於壓電結構與負載電路耦合模型的壓電俘能器拓撲最佳化設計問題的數學提法、求解方法和實現技術，發展實現結構拓撲與電路參數一體化並發設計理念的方法，為高性能壓電俘能器的設計提供必要的技術支持。具體研究內容包括：首先建立壓電結構與負載電路的耦合分析模型，分析俘能器重要結構參數和電路參數對其性能的影響機理。在此基礎上，研究壓電結構拓撲描述與演化方式以及俘能效率分析技術，建立特定工作環境下（特定頻率或寬頻隨機振動）高性能壓電俘能器的拓撲最佳化設計問題的提法；考慮壓電結構與負載電路的相互影響，建立結構拓撲描述參數與電路參數協同最佳化設計的理論和方法。
結題摘要
由於壓電材料獨特的力電耦合性質，它可以實現電能與機械能的相互轉換。壓電俘能器正是利用這種獨特的性質將環境振動能轉化為可供微電子產品使用的電能。壓電俘能器的轉換效率與結構的拓撲形式息息相關。本課題基於拓撲最佳化的思想，開展壓電俘能器的最優構型設計理論研究，建立具有力電耦合性質結構的拓撲最佳化問題的數學提法，求解方法和實現技術。主要研究成果包括：（1）研究了面向力電耦合介質拓撲描述方式，發展了一種利用相場函式作為拓撲設計變數，以特定頻率作用下壓電俘能器能量轉換因子為目標函式的拓撲最佳化問題的提法。結果表明，本方法對相場函式進行節點插值，同時在有限元計算中利用平均化技術獲得單元剛度陣、質量陣和壓電剛度陣，自然地蘊含了一種非局部效應，從而克服了棋盤效應等數值不穩定現象，得到了清晰的材料分布邊界。（2）研究了基於拓撲最佳化的壓電微質量感測器最大檢測靈敏度設計問題。提出了壓電微質量感測器不同諧振模式下的質量檢測靈敏度最大化為目標的拓撲最佳化設計數學模型和相應的求解方法。結果表明壓電微質量感測器吸附微小質量後的頻移程度依賴於結構的拓撲形式，通過拓撲最佳化設計可以得到不同諧振模式下具有最大質量檢測靈敏度的感測器結構構型。（3）研究了具有特定振型的壓電複合材料換能器拓撲最佳化設計問題。提出了以壓電複合材料換能器的機電耦合係數為目標函式的最佳化模型，並將模態置信度作為約束函式以獲得所需的振動模態。結果表明，通過合理分布壓電材料和環氧基樹脂，可以獲得具有最大能量轉換效率並同時具有特定振型的壓電複合材料換能器。（4）研究了考慮剪下和翹曲變形的複合材料梁截面分析及拓撲最佳化設計問題。構造了考慮剪下和翹曲變形複合材料梁截面剛度特性計算有限元列式，建立了以梁截面剛度和指定剪下中心為設計目標，以重量為約束函式的拓撲最佳化模型，並發展了相應的求解方法和實現技術。基於上述工作，發表論文8篇，在審論文2篇。
