Finite element-based parameter optimization for low-frequency micro-vibration energy harvesting using macro fiber composites
Abstract
物联网分布式传感节点对低频微振动能量收集提出了高效率、高适应性的机电转换需求。宏观纤维复合物兼具高压电系数与良好柔韧性，是捕获此类能量的理想材料，但内部电场非均匀分布和关键参数影响不明制约了其性能发挥。为此，本文提出一种基于多尺度有限元仿真预测与实验验证的参数优化方法。建立代表性体积元模型，揭示内部电场非均匀特征及“电场活化区”的关键作用；构建悬臂梁整体三维模型，系统分析纤维宽度与高度对应力及电势的影响。仿真预测表明，当纤维尺寸为60 mm（长）×0.35 mm（宽）×0.35 mm（高）时，器件输出电压高且应力集中最小。依据此优化结果制备的宏观纤维复合物悬臂梁器件，在8.9 Hz谐振频率、0.5g加速度激励下，实测开路电压达43 V，匹配2.5 MΩ负载时峰值功率密度为0.31 mW/cm2。仿真与实验结果吻合良好，谐振频率误差仅为1.1%。本研究明确了宏观纤维复合物用于低频微振动收集的最优尺寸，为高性能、可定制能量收集器设计提供了有效方法。
Fields of Study & Subjects
Innovative Energy Harvesting Technologies
Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials
Ferroelectric and Piezoelectric Materials
Publication details
- Journal / source
- Acta Physica Sinica
- Volume
- 75
- Issue
- 10
- Publication date
- 1 January 2026
- Language
- ZH