CN114462274A - 一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法

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；

(2)根据步骤(1)仿真结果得到压电陶瓷质量分数为0％-40％的压电复合材料在输入不同外界压力负载的条件下的输出电压和内部电阻，拟合输出电压V、复合材料电阻R与输入应力σ及陶瓷质量分数ω的函数关系。

进一步限定，步骤3离散化时，同一分散单元上不同点的受力相差在10％以内。

进一步限定，步骤4的操作过程为：

首先给各个分散单元一个随机的压电陶瓷质量分数[ω₁,ω₂,…,ω_n]^T，然后根据步骤2和步骤3的函数公式计算总输出电压，生成新的随机材料参数后同样计算上表面电压输出，若新产生的材料参数优于初始值，则完全接受新的参数，否则在一定程度上接受，再进行新一次的迭代，待连续多次迭代未出现新解时，将该解作为最优值，结束迭代。

进一步限定，步骤4选取模拟退火优化算法进行总输出电压V_out优化，建立优化模型：

maxV_out＝f(ω)

式中g_i(ω)≥0为不等式约束；h_j(ω)＝0为等式约束，约束条件包括几何约束，材料参数约束，强度约束；k₁和k₂分别为不等式约束和等式约束个数；t(σ)＝0为应力的边界条件；

将其设计域记为S，如果得到一个可行解ω*∈S，使得对于

有f(ω*)＞f(ω)，则称ω*为多目标优化问题的最优解。

更进一步限定，步骤4的具体操作过程为：

①首先给各离散模块随机的压电陶瓷质量分数[ω⁰]＝[ω₁ ⁰,ω₂ ⁰,…,ω_n ⁰]^T，并计算输出电压V_out ⁰＝f(ω⁰)；

②扰动产生新解ω^r，计算目标函数f(ω^r)，并计算Δf＝f(ω^r)-f(ω⁰)；

③Δf≥0，则接受新解ω⁰＝ω^r，否则按Metropolis接受准则接受新解；

④重复步骤②和步骤③直至达到迭代次数，判断是否满足终止条件；

⑤若满足终止条件则结束运算并输出最优解，否则缓慢降低稳定重置迭代次数，重复①至④，直至满足终止条件。

本发明有益效果：

(1)本发明在柔性集能器设计过程中，考虑使用者在运动时身体发力部位状态，进行个性化的设计，与常规均匀化的集能器设计相比，本发明的功能梯度集能器设计可以提高能量转换效率。

(2)本发明的方法设计的柔性集能器可以充分利用各个发力部位的应力，使集能器复合材料的压电陶瓷质量分数分布更合理。

附图说明

图1为个性化功能梯度压电复合材料集能器设计流程图；

图2为压电复合材料受力时电势分布的仿真结果图；

图3为实施例1集能器的离散化的示意图；

图4为模拟退火优化算法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。

实施例1：

本实施例以足底为发力部位为例，针对足底的个性化功能梯度压电复合材料集能器的设计方法，如图1所示，具体操作过程如下：

步骤1，将多个压力传感器均匀分布于足底，采样点不少于50个，提取测试者在运动时足底部位产生的交变应力[σ₁,σ₂,…,σ_m]^T，并通过线性插值得到运动时人身体发力部位的力状态。

步骤2，首先，通过三维建模软件建模模块绘制不同压电陶瓷质量分数的复合材料模型，质量分数范围在0-40％之间，通过有限元软件划分网格，模型的上下表面分别设置为等电势，上表面分别输入步骤1中测量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，压电复合材料受力时电势分布的仿真结果如图2所示；

然后，根据仿真结果得到不同质量分数复合物在输入不同外界压力负载的条件下的输出电压和内部电阻，拟合输出电压V、复合材料电阻R与输入应力σ及陶瓷质量分数ω的函数关系：

V＝f₁(σ,ω)

R＝f₂(σ,ω)

式中：V为输出电压，R为复合材料电阻，σ为输入应力，ω为陶瓷质量分数。

步骤3，对运动时足底部位的集能器进行离散化，离散化的示意图如图3所示，其外形为足底的基本轮廓，同一单元上不同点的受力相差在10％以内，竖直方向分层不少于3层，分散的单元个数为n，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：

V_out＝f₃(V₁,V₂,...V_n,R₁,R₂,...R_n)

式中：V_out为集能器最终输出电压，V_i为第i个单元的输出电压，R_i为第i个单元的电阻，1≤i≤n。

步骤4，采用模拟退火优化算法以输出电压为优化目标，对主要设计参数ω＝[ω₁,ω₂,…,ω_n]^T进行优化。

建立优化模型为：

maxV_out＝f(ω)

将其设计域记为S，如果能得到一个可行解ω*∈S，使得对于

有f(ω*)＞f(ω)，则称ω*为多目标优化问题的最优解，g_i(ω)≥0为不等式约束，h_j(ω)＝0为等式约束，约束条件包括几何约束，材料参数约束，强度约束，k₁和k₂分别为不等式约束和等式约束个数，t(σ)＝0为应力的边界条件。

优化流程如图4所示，具体过程如下：

(1)给各离散模块随机的压电陶瓷质量分数：ω⁰＝[ω₁ ⁰,ω₂ ⁰,…,ω_n ⁰]^T，并计算输出电压V_out ⁰＝f(ω⁰)；

(2)扰动产生新解ω^r，计算目标函数f(ω^r)，并计算扰动前后的输出电压值的变化ΔV_out＝f(ω^r)-f(ω⁰)；

(3)当ΔV_out≥0，则接受新解ω⁰＝ω^r，否则按Metropolis接受准则接受新解，接受概率为：

P＝exp(ΔV_out/T)

式中，P为接受概率，T为退火过程的控制参数；

随机生成1个0-1之间的随机数α，若P≥α，则接受新解ω⁰＝ω^r，否则不接受新解；

(4)重复步骤(2)和(3)直至达到迭代次数N，判断是否满足终止条件；

(5)若满足终止条件则结束运算并输出最优解，否则降低退火温度，重置迭代次数，重复步骤(1)至步骤(4)，直至满足终止条件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，鉴于本发明所属领域的技术人员可以对上述实施方式进行适当的变更和修改，因此，本发明并不局限于上面所述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

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。

2.根据权利要求1所述的一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法，其特征在于，所述的步骤1中发力部位包括肩关节、肘关节、腕关节、膝关节和/或足底。

3.根据权利要求1所述的一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法，其特征在于，所述的步骤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。

4.根据权利要求1所述的一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法，其特征在于，所述的步骤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；

(2)根据步骤(1)仿真结果得到压电陶瓷质量分数为0％-40％的压电复合材料在输入不同外界压力负载的条件下的输出电压和内部电阻，拟合输出电压V、复合材料电阻R与输入应力σ及陶瓷质量分数ω的函数关系。

5.根据权利要求1所述的一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法，其特征在于，所述的步骤3离散化时，同一分散单元上不同点的受力相差在10％以内。

6.根据权利要求1所述的一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法，其特征在于，所述的步骤4的操作过程为：

首先给各个分散单元一个随机的压电陶瓷质量分数[ω₁,ω₂,…,ω_n]^T，然后根据步骤2和步骤3的函数公式计算总输出电压，生成新的随机材料参数后同样计算上表面电压输出，若新产生的材料参数优于初始值，则完全接受新的参数，否则在一定程度上接受，再进行新一次的迭代，待连续多次迭代未出现新解时，将该解作为最优值，结束迭代。

7.根据权利要求1所述的一种功能梯度压电复合材料集成器的设计方法，其特征在于，所述的步骤4选取模拟退火优化算法进行总输出电压V_out优化，建立优化模型：

maxV_out＝f(ω)

式中g_i(ω)≥0为不等式约束；h_j(ω)＝0为等式约束，约束条件包括几何约束，材料参数约束，强度约束；k₁和k₂分别为不等式约束和等式约束个数；t(σ)＝0为应力的边界条件；

将其设计域记为S，如果得到一个可行解ω*∈S，使得对于

有f(ω*)＞f(ω)，则称ω*为多目标优化问题的最优解；

步骤4的具体操作过程为：

①首先给各离散模块随机的压电陶瓷质量分数[ω⁰]＝[ω₁ ⁰,ω₂ ⁰,…,ω_n ⁰]^T，并计算输出电压V_out ⁰＝f(ω⁰)；

②扰动产生新解ω^r，计算目标函数f(ω^r)，并计算Δf＝f(ω^r)-f(ω⁰)；

③Δf≥0，则接受新解ω⁰＝ω^r，否则按Metropolis接受准则接受新解；

④重复步骤②和步骤③直至达到迭代次数，判断是否满足终止条件；

⑤若满足终止条件则结束运算并输出最优解，否则缓慢降低稳定重置迭代次数，重复①至④，直至满足终止条件。

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