基于拓扑优化的压电俘能器设计理论研究

项目名称： 基于拓扑优化的压电俘能器设计理论研究

项目编号： No.11202246

项目类型： 青年科学基金项目

立项/批准年度： 2013

项目学科： 数理科学和化学

项目作者： 林哲祺

作者单位： 中山大学

项目金额： 26万元

中文摘要： 压电俘能器的工作效率与压电结构拓扑构型以及负载电路息息相关。单方面进行压电结构构型设计或负载电路设计都无法获得最佳性能的压电俘能系统。因此，在俘能器设计阶段，需要将压电结构与电路有效地连接在一起，进行整体分析和协同优化。本课题研究建立基于压电结构与负载电路耦合模型的压电俘能器拓扑优化设计问题的数学提法、求解方法和实现技术，发展实现结构拓扑与电路参数一体化并发设计理念的方法，为高性能压电俘能器的设计提供必要的技术支持。具体研究内容包括：首先建立压电结构与负载电路的耦合分析模型，分析俘能器重要结构参数和电路参数对其性能的影响机理。在此基础上，研究压电结构拓扑描述与演化方式以及俘能效率分析技术，建立特定工作环境下（特定频率或宽带随机振动）高性能压电俘能器的拓扑优化设计问题的提法；考虑压电结构与负载电路的相互影响，建立结构拓扑描述参数与电路参数协同优化设计的理论和方法。

中文关键词： 拓扑优化；压电材料；俘能器；协同优化；有限元分析

英文摘要： The working performance of the piezoelectric energy harvester is closely bound up with the structural configuration and load circuit. Unilateral piezoelectric structural configuration design or the load circuit design is unable to achieve the best performance of the piezoelectric energy harvesting systems. Therefore, piezoelectric structure and the load circuit should be effectively coupled and optimized simultaneously on the design of the energy harvester. This project presents a design study on the topology optimization of piezoelectric energy harvester based on the piezoelectric structures-storages circuit couple system. A novel design technique that simultaneously optimizes the structural configuration and circuit parameters will be developed. The research contents include: First, a piezoelectric structure and storage circuit coupled mathematical model of energy harvester will be established. Physical insights into the influence of structural parameters and circuit parameters on the output power are to be discussed in detail. Based on the analytical model, representation approach of material distribution and corresponding evolution technique will be studied. The dependence between the performance of the energy harvester and topology description parameter will be estabished. Topology optimization model for pi

英文关键词： topology optimization；piezoelectric materials；energy harvester；simultaneous optimization；finite element analysis