[发明专利]一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法

说明书

本发明公开了一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法，属于柔性电能收集技术领域。本发明首先通过放置于发力部位的多个压力传感器提取测试者在移动时受力部位受到的交变应力；然后通过压电复合材料的有限元模型得到输出电压、复合材料电阻与输入应力及陶瓷质量分数的函数关系；再然后设计集能器外形并离散化处理，根据各离散单元的串并联关系，建立总输出电压与各单元电压及电阻的函数关系，并采用模拟退火算法对其进行优化设计以确定各块材料的压电陶瓷质量分数；最后根据结构参数进行建模，得到考虑人体运动时身体发力部位的状态的个性化功能梯度压电复合材料集能器，有效提高功能梯度集能器的能量转换效率。

技术领域

本发明涉及一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法，属于柔性电能收集技术领域。

背景技术

现有各类电子器件的使用消耗了大量的电能，电能往往是通过其他能量的转换来获得的，大量的能源消耗可能加速能源危机的到来。

压电材料制备的集能器能将环境中的能量采集并转化为电能，为便携电子设备供电。例如，在可穿戴领域，将柔性材料制备的集能器置于足底或膝关节、肘关节、腰关节等发力部位，可利用人运动的能量发电，从而为可穿戴电子设备供电。

柔性集能器通常使用压电复合材料，将压电陶瓷颗粒分散到柔性基体中，压电陶瓷能实现机械能向电能的转换，基体材料对内部陶瓷起保护作用，防止其在受力状态下被破坏。现有的压电复合材料柔性集能器，往往成分单一、结构简单，例如由于不同穿戴者运动时身体各运动部位产生的力状态不同，现有单一的结构设计方法不能充分发挥集能器的能量转换效果。因此，提出一种个性化的功能梯度压电复合材料集能器设计方法，对提高能量转换效率具有重要的理论和应用意义。

发明内容

本发明为了解决现有上述技术问题，提供一种考虑了人体运动时身体发力部位的状态，有效提高能量转换效率的功能梯度集能器的设计方法。

本发明的技术方案：

一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，将压力传感器分别放置于人体各个发力部位，提取测试者运动时发力部位产生的交变应力[σ₁,σ₂,…,σ_m]^T；

步骤2，建立压电复合材料的有限元模型，对压电陶瓷含量不同的压电复合材料在不同输入应力条件下进行有限元仿真，计算输出电压，得到输出电压V、复合材料电阻R与输入应力σ及压电陶瓷质量分数ω的函数关系；

步骤3，针对测试者发力部位的集合形状设计集能器外形，将集能器离散化处理，分散成n个单元，根据各单元的串并联关系，建立总输出电压V_out与各单元电压及电阻的函数关系；

步骤4，采用模拟退火算法进行优化设计，确定各个分散单元的压电陶瓷质量分数；

步骤5，对步骤4获得的优化后的结构参数进行建模，得到考虑运动时人体发力部位受力状态的个性化功能梯度压电复合材料集能器。

进一步限定，步骤1中发力部位包括肩关节、肘关节、腕关节、膝关节和/或足底。

进一步限定，步骤1中压力传感器均匀分布，且各个发力部位采样点不少于50个，并通过线性插值得到各个发力部位的力状态。

进一步限定，步骤2的具体操作过程为：

(1)对压电陶瓷质量分数为0％-40％的压电复合材料通过三维建模软件或有限元软件建模，将模型导入有限元分析软件，划分网格后上表面分别输入步骤1中提取的范围内应力后计算，通过面积分得到集能器输出电压和电阻；