Αναλυτική και πειραματική μελέτη απομάστευσης ενέργειας σε δοκό με πιεζοηλεκτρικό μεταλλάκτη υπό κρουστικό φορτίο

Μαργέλης, Νικόλαος; Margelis, Nikolaos

dc.contributor.author	Μαργέλης, Νικόλαος	el
dc.contributor.author	Margelis, Nikolaos	en
dc.date.accessioned	2020-12-23T13:55:12Z
dc.date.available	2020-12-23T13:55:12Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52663
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20361
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Συστήματα Αυτοματισμού”
dc.rights	Default License
dc.subject	Πιεζοηλεκτρικά στοιχεία	el
dc.subject	Απομάστευση ενέργειας	el
dc.subject	Κρουστικό φορτίο	el
dc.subject	Πειραματική μελέτη	el
dc.subject	Μοντελοποίηση ηλεκτρομηχανικού συστήματος	el
dc.subject	Piezoelctric elements	en
dc.subject	Energy harvesting	en
dc.subject	Impact load	en
dc.subject	Experimental study	en
dc.subject	Modeling of electromechanical system	en
dc.title	Αναλυτική και πειραματική μελέτη απομάστευσης ενέργειας σε δοκό με πιεζοηλεκτρικό μεταλλάκτη υπό κρουστικό φορτίο	el
dc.title	Analytical and Experimental Study of Energy Harvesting using a Beam with a Piezoelectric Transducer under an Impact Load	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Μηχανολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10-30
heal.abstract	Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία πραγματεύεται την αξιοποίηση ενέργειας από την ταλάντωση μιας μονόπακτης δοκού με χρήση πιεζοηλεκτρικού επιθέματος (piezoelectric patch) και πλακέτας απομάστευσης ενέργειας (harvesting module). Η μελέτη της απόκρισης του συστήματος εξετάζεται όταν σε αυτό ασκείται ένα κρουστικό φορτίο. Για την αντιμετώπιση του φυσικού προβλήματος, διαμορφώθηκε μία βασική μεθοδολογία η οποία περιλαμβάνει τη δημιουργία τριών μοντέλων στο πακέτο πεπερασμένων στοιχείων Abaqus και ενός μοντέλου στο πρόγραμμα επίλυσης ηλεκτρικών κυκλωμάτων Pspice. Τα μοντέλα αυτά γεφυρώνονται με τη χρήση μαθηματικών εξισώσεων που υπάρχουν στην διεθνή βιβλιογραφία. Τα μοντέλα που κατασκευάζονται στο Abaqus έχουν σκοπό να διαιρέσουν τη μοντελοποίηση του συστήματος δοκού-επιθέματος σε μικρότερα τμήματα. Με αυτόν τον τρόπο, εξασφαλίζεται η άμεση αντιμετώπιση σφαλμάτων σε κάθε στάδιο της διαδικασίας. Ακόμα, τα μοντέλα αυτά αναπτύσσονται σε διάφορες εκδοχές προκειμένου να ελεγχθεί και ο ρόλος άλλων παραγόντων στην επίλυση του προβλήματος από το Abaqus, όπως είναι η επιλογή των πεπερασμένων στοιχείων του μοντέλου και των επιλυτών. Το μοντέλο που δημιουργείται στο Pspice έχει ως στόχο την εκτίμηση της απόκρισης του κυκλώματος απομάστευσης ενέργειας, όταν στο συνολικό σύστημα επιβάλλεται ένα κρουστικό φορτίο. Το μοντέλο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτιστοποίηση του υπάρχοντος κυκλώματος αλλά και για τον σχεδιασμό εναλλακτικών κυκλωμάτων. Επομένως, στόχος αυτής της εργασίας είναι η χρήση των παραπάνω μοντέλων και των μαθηματικών εξισώσεων, έτσι ώστε να είναι δυνατή η πρόβλεψη της δυναμικής συμπεριφοράς του συνολικού συστήματος. Τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων πρέπει να προσεγγίζουν ικανοποιητικά τις ιδιοσυχνότητες της δοκού. Επίσης, δεδομένης της δύναμης που αναπτύσσεται κατά την κρούση, τα μοντέλα στο Abaqus θα πρέπει να προβλέπουν τη βύθιση του σημείου της κρούσης αλλά και το παραγόμενο δυναμικό όταν το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο είναι ανοικτοκυκλωμένο. Επιπλέον, αν είναι γνωστή η ταχύτητα του επικρουστήρα που βάλλει τη δοκό λίγο πριν τη σύγκρουση, μέσω των μοντέλων, επιδιώκεται η εκτίμηση του κρουστικού φορτίου καθώς και όλα τα προαναφερθέντα μεγέθη σε συνθήκες ανοικτοκυκλώματος. Έπειτα, η χρήση των πληροφοριών που παρέχουν τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων σε συνδυασμό με τις εξισώσεις από τη βιβλιογραφία και το μοντέλο στο Pspice έχει ως σκοπό την προσέγγιση της ηλεκτρικής ενέργειας που απομαστεύεται από το ειδικό κύκλωμα κατά τη διάρκεια μιας μεμονωμένης κρούσης. Τα συμπεράσματα, που εξάγονται από τη συγκεκριμένη εργασία, αφορούν τόσο τη λειτουργία του συστήματος κατά την άσκηση κρουστικού φορτίου, όσο και για τη διαδικασία κατασκευής των μοντέλων. Επιπλέον, παρατίθενται προτάσεις που αφορούν τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να συνεχιστεί η μελέτη του εν λόγω αντικειμένου.	el
heal.abstract	The current postgraduate thesis examines the exploitation of the energy stored in a beam while it vibrates with the use of a piezoelectric patch and a harvesting module. The response of the system is studied when an impact force is applied on it. The physics problem is dealt with a method that was developed during this thesis, which includes three models on the commercial finite elements package Abaqus and a model on the program Pspice. These models are connected through mathematical equations found on the international bibliography. The models constructed on Abaqus aim at dividing the modeling of the beam-patch system in smaller parts. This way, it is guaranteed that errors are dealt with immediately at each phase of the process. Furthermore, each of the aforementioned models are developed in several versions, so that the role of different factors during the solving procedure is detected. Such factors are the choice of finite elements and the choice of solvers. The model constructed on Pspice targets at estimating the response of the harvesting module when the whole system is under the effect of an impact load. This model can be used for the optimization of the existing harvesting module or even for designing an alternative circuit. The target of this thesis is the use of the models mentioned above in combination with mathematical equations for the prediction of the dynamic response the whole system. The finite element models must approximate sufficiently the eigenfrequencies of the beam. Moreover, for a known impact force, the Abaqus models must predict the displacement of the point of the impact and the voltage produced by the piezoelectric patch in an open circuit. Furthermore, if the velocity of the impactor just before the collision with the beam is known, then the estimation of the impact load is pursued along with all the aforementioned variables in an open circuit. Then, the use of the information provided by the finite element models in combination with the equations from the bibliography and the Pspice model aims to approximate the energy harvested by the module during a single impact. The conclusions derived from this thesis, concern both the response of the energy harvesting system during the application of an impact load and the procedure of developing the models. Moreover, suggestions for future work are discussed.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνιάδης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	111 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false