臺灣博碩士論文加值系統

現在高科技產業都在生產高精度的產品，但機器在運轉時的振動難以避免，但可以去想想要如何有效利用這些無法儲存再利用的能量，轉化成另一種形式再被使用，充分利用這些能源。本研究主題深入探討如何去設計一能量回收裝置，針對壓縮螺圈彈簧這類撓性結構易受力變形的特性，設計方式是在矩形螺圈彈簧上黏貼壓電材料，將彈簧運動產生的機械能經壓電效應轉換成電能。研究方法使用有限元素分析軟體Abaqus分析，靜態分析針對螺圈彈簧主應力方位黏貼壓電材料，壓電材料其1-3平面與螺圈徑向夾角45度得到其電位輸出效果最佳並實作驗證；動態分析則探討系統的共振與暫態響應，得知在系統無阻尼狀態下壓電材料其機電耦合常數會等效於機械阻尼特性，該特性能減輕系統共振效應；最後針對能量回收效率計算，若增加壓電材料於螺圈上則能讓能量回收效果越好。

Now the high-tech industry is producing high-precision products, but the vibration of the machine during operation is difficult to avoid, but you can think about how to effectively use the energy that cannot be stored and reused, convert it into another form and use it again, make full use of it. These energy sources. This research topic explores in depth how to design an energy recovery device for the flexible deformation of flexible structures such as compression coil springs. The design method is to apply the piezoelectric material to the rectangular coil spring and the mechanical energy generated by the spring movement. Converted into electrical energy by the piezoelectric effect. The research method uses the finite element analysis software Abaqus analysis. The static analysis is applied to the piezoelectric material with the principal stress orientation of the coil spring. The piezoelectric material has the best angle output effect and the verification of the 1-3 plane and the spiral radial angle of 45 degree. Dynamic analysis explores the resonance and transient response of the system. It is known that the electromechanical coupling constant of the piezoelectric material is equivalent to the mechanical damping characteristic in the undamped state of the system. This characteristic reduces the resonance effect of the system. Finally, the energy recovery efficiency is calculated. If the piezoelectric material is added to the coil, the energy recovery effect is better.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2文獻回顧 1
1.3研究方向與目的 4
1.4本文架構 4
第二章 壓電理論 5
2.1壓電材料種類 5
2.2壓電材料特性 5
2.3壓電材料應用 8
2.4壓電本構方程式 12
2.5壓電材料操作模式 16
第三章 結構設計與分析 19
3.1矩形斷面彈簧選用 19
3.2彈簧k值實驗 22
3.2.1公式反求彈簧材料G、E值 24
3.3 CAD實體建模 25
3.3.1 k值驗證 25
3.4壓電材料最佳位置與方向 26
3.5電材料規格選用 34
3.6網格與元素選擇 35
3.6.1網格收斂化分析 36
3.7結構靜態分析 38
3.8結果討論 42
第四章 系統動態響應分析 45
4.1結構模態分析 45
4.2諧波振動分析 50
4.3 ABAQUS動力學分析 52
4.3.1時間積分步長選擇 53
4.3.2結構暫態響應分析 54
4.3.3指數衰減方程式 59
4.4能量回收效率 60
第五章 結論與未來展望 63
5.1結論 63
5.2未來展望 64
參考文獻 65
符號索引 67

[1] Chongfeng Wei and Xingjian Jing,“Renewable and Sustainable Energy Reviews”,ScienceDirect.
[2] Williams,C.B.&Yates,R.B.,1996,“Analysis of a Micro-electric Generator for Microsystems”,Sensors and Actuators A ,52:8-11.
[3]Erturk A,Innan DJ. A distributed parameter electromechanical model for cantilevered piezoelectric energy harvesters.J Vib Acoust 2008;130(4)
[4]Arroyo E,Badel A,Formosa F.Energy harvesting from ambient vibrations:electromagnetic device and synchronous extraction circuit.J Intell Mater Syst Struct 2013.
[5]Roundy SJ.Energy scavenging for wireless sensor nodes with a focus on vibration to electricity conversion.Berkeley:University of California;2003.
[6]曾友彥，壓力感測器的改良與設計，碩士論文，國立台北科技大學製造科技研究所，台北，2007
[7]趙裁崙，低成本壓力感測器研製，碩士論文，國立台北科技大學製造科技研究所，台北，2005
[8]林佳宏，可調式能量擷取吸振器於結構平台多模態減振之研究，碩士論文，國立台北科技大學製造科技研究所，台北，2016
[9]Vitaly Yu, Piezo-Active Composites,Springer Series in Materials Science,2014
[10] American National Standards Institute, IEEE standard on piezoelectricity , Standards Committee,1987
[11]杉原和典，工廠自動化用機械標準零件，台北:台灣三住股份有限公司，2004，第742-744頁
[12] M.F.Spotts著 吳嘉祥、林震、李德福譯，機械元件設計，台北:高立圖書有限公司，1986，第190-192、248-249頁
[13] http://superextech.myweb.hinet.net/,科鳴股份有限公司
[14]Erturk,A.,2009,“Electromechanical Modeling of Piezoelectric Energy Harvesters,” Ph.D.thesis,Virginia Polytechnic Institute and State University,Blacksburg,VA,U.S.A.
[15]http://www.nolic.com/products/materials/nce51/,2015
[16]馬嘉駿，迴轉式超音波輔助硬脆材料铣削及工具設計，碩士論文，國立台北科技大學車輛研究所，台北，2006
[17] Singiresu S.Rao , Mechanical vibrations , Addison-Wesley Publishing Company,1995,pp.192-194、 200-210.
[18] Adhikari, S., Friswell, M,I., Inman,D,J.,2009,“Piezoelectric energy harvesting from broad band random vibrations, ” smart materials and structure,18(11):0964-1726
[19]Dassault Systemes Simulia Corp，最新Abaqus實務入門，台北:全華圖書有限公司，2013
[20]陳本源，Abaqus進階動力學，台北:全華圖書有限公司，2007
[21]Ramsay MJ,Clark WW. Piezoelectric Energy Harvest Bio-MEMS APPL 2001.
[22]Lu F, Lee HP , Ljm SP. Modeling and analysis of Micro piezoelectric power generators for micro-electromechanical-systems applications. Smart Mater Struct 2004;13(1):57.
[23]章雯琦，複材夾心樑之振動分析及控制，碩士論文，國立成功大學航空太空工程研究所，台南，2000
[24]劉信志，壓電複合材料應用於高強度聚焦超音波換能器之研究，碩士論文，中華大學機械工程學系碩士班，新竹，2011