Введение к работе
Актуальность работы
Одной из тенденций развития приборостроения является снижение потребляемой мощности мобильными приборами. Снижение потребления настолько существенное, что позволяет использовать в качестве элементов питания пьезоэлектрические генераторы, работающие в качестве преобразователей механических воздействий в электрическую энергию. Использование пьезоэлектрического преобразователя механической энергии (ПЭПМЭ) в качестве источника питания электронных средств (ЭС) целесообразно в местах, где сложно подвести электроэнергию по проводам, а также когда имеются ограничения на установку батарей питания. ПЭПМЭ должен находиться на источнике механических воздействий либо расположен рядом с ними, поэтому транспортные средства являются наиболее рациональными объектами для установки ПЭПМЭ, так как являются источниками механических воздействий: ударов, гармонических и случайных вибраций. Частотные и амплитудные характеристики таких механических воздействий разнообразны и зависят от вида транспортного средства (например, автомобиля, поезда, корабля или самолета), поэтому требуется обязательный учет параметров механических воздействий, формируемых подвижным объектом уже на этапе начального проектирования конструкции ПЭПМЭ. Габаритные размеры, геометрия конструкции и используемые материалы должны быть рассчитаны исходя из объекта их установки и требований по получаемой электрической мощности. Большое разнообразие объектов установки пьезоэлектрических генераторов и требования сокращения времени проектирования требуют использования при их разработке программных продуктов автоматизации проектирования.
Исследованиям в этой области посвящены работы в России, США, Японии, Израиле и других странах. Наиболее известны труды S. Priya, D. J. Inman, Wong Z. L., S. Roundy, M. Marzencki, Б.С. Аронова, M.C. Нунупарова, B.H. Малюха, E.H. Талицкого и других авторов.
Цель работы
Целью данной диссертационной работы является ускорение процесса проектирования и улучшение технических характеристик ПЭПМЭ для альтернативного питания малопотребляющих ЭС, работающих в условиях механических воздействий, на базе создания новой подсистемы автоматизированного проектирования пьезоэлектрических преобразователей энергии.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
- проведение анализа различных систем проектирования ПЭПМЭ, а также технических характеристик ПЭПМЭ и требований к их конструкции;
разработка математической модели ПЭПМЭ, которая позволяет определить геометрические размеры и основные требования к конструкции ПЭПМЭ в зависимости от места их установки и вида подвижного объекта;
на базе полученной математической модели синтез алгоритма работы подсистемы САПР, обеспечивающей процесс автоматизированного проектирования ПЭПМЭ в зависимости от источников механического возбуждения: ударных воздействий, гармонической вибрации, случайной вибрации;
на основе проведенных исследований разработка подсистемы САПР ПЭПМЭ и проведение ее апробации.
Методы исследования основываются на методах теории алгоритмов, теории САПР, методах прикладной механики, теории колебаний, теории пьезоэлектричества.
Научная новизна
разработана математическая модель пьезоэлектрического преобразователя энергии удара, отличающаяся от существующих дополнением условий механической и электрической прочности, условием устойчивости;
разработана математическая модель пьезоэлектрического преобразователя гармонической вибрации, отличающаяся от существующих расчетами энергии при возникновении второй и последующих собственных частот ПЭПМЭ в виде пластины;
разработана математическая модель пьезоэлектрического преобразователя случайной вибрации;
разработана математическая модель топологии новой конструкции электродов;
на основе математической модели разработаны алгоритмы, применяемые для автоматизированного проектирования ПЭПМЭ: для расчета габаритных размеров и выбора пьезоэлектрических материалов при ударных воздействиях, при воздействии гармонической вибрации, при воздействии случайной вибрации.
Практическая значимость
разработана подсистема автоматизированного проектирования пьезоэлектрических преобразователей механической энергии для малопотребляющих ЭС, позволяющая сократить время проектирования конструкции преобразователя. Зарегистрированная программа для ЭВМ - № 2010614786.;
разработан способ получения энергии при случайной вибрации, а также при образовании второй и более высоких гармоник собственных частот
5 ПЭПМЭ, в результате чего преобразованная электрическая энергия ПЭПМЭ повышается до нескольких десятков раз.
Внедрение и практическое использование результатов работы
Разработанная подсистема САПР, алгоритмы и математические модели использованы в НИР «Исследование специализированных приборов для индикации высокого уровня вибраций», в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы, а также внедрены в проектно-конструкторскую деятельность ЗАО «НПО «Измерительные системы» в г. Коврове.
Апробация работы
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на технических советах научно-технического центра ОАО «Завод «Автоприбор», на семинарах кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств», «Физика и прикладная математика», «Вычислительная техника» «Владимирского государственного университета», на международном симпозиуме «Надежность и качество», на международных научно-практических конференциях «Моделирование. Теория, методы и средства» и «Наука и современность - 2010», получены грамота и диплом за проект «Подсветка дорожных знаков с использованием альтернативного источника питания» на Всероссийской выставке инновационных проектов, проект получил рекомендательное письмо от депутата Государственной Думы РФ М.Н. Мищенко для дальнейшего внедрения.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Математическая модель пьезоэлектрического преобразователя энергии удара, гармонической вибрации, случайной вибрации.
Математическая модель топологии новой конструкции электродов.
Алгоритмы, применяемые для автоматизированного проектирования ПЭПМЭ.
Подсистема автоматизированного проектирования пьезоэлектрических преобразователей энергии для малопотребляющих ЭС.
Публикации
По теме исследований опубликовано 11 научных работ, в том числе одна статья в изданиях, рекомендованных ВАК, получены один патент РФ на полезную модель, одна заявка на изобретение, зарегистрирована одна программа для ЭВМ. Зарегистрировано 2 отчета по НИР, заказчиком которых является Федеральное агентство по образованию, выполненных при участии автора.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, а также списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 154 страницах, в том числе: 112 страницы основного текста, иллюстрированного
24 рисунками и 7 таблицами, список литературы из 105 наименований на 12 страницах.
