مدل‌سازی اجزا محدود یک برداشت‌کننده انرژی نوآورانه با استفاده از آلیاژ حافظه‌دار مغناطیسی بر پایه تیر موج‌دار و بررسی پارامترهای موثر بر آن

صفری, امید; ذاکرزاده, محمدرضا; باغانی, مصطفی

doi:10.22060/mej.2019.16355.6341

دانشگاه صنعتی امیرکبیر

تعداد نشریات	9
تعداد شماره‌ها	452
تعداد مقالات	5,748
تعداد مشاهده مقاله	8,234,493
تعداد دریافت فایل اصل مقاله	6,752,172

مدل‌سازی اجزا محدود یک برداشت‌کننده انرژی نوآورانه با استفاده از آلیاژ حافظه‌دار مغناطیسی بر پایه تیر موج‌دار و بررسی پارامترهای موثر بر آن

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

مقاله 7، دوره 53، شماره 2، اردیبهشت 1400، صفحه 799-814 اصل مقاله (2.57 M)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22060/mej.2019.16355.6341

نویسندگان

امید صفری¹؛ محمدرضا ذاکرزاده²؛ مصطفی باغانی^* ³

¹کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران

²دانشگاه تهران*مهندسی مکانیک

³دانشگاه تهران-مهندسی مکانیک

چکیده

در سال‌های اخیر کاربرد منابع انرژی سیار و در نتیجه سیستم‌های استحصال انرژی جهت استفاده از منابع انرژی محیط، افزایش پیدا کرده است. در این تحقیق، یک چیدمان نوآورانه برای یک سیستم بازیابی انرژی با استفاده از آلیاژ حافظه‌دار مغناطیسی () تحت بستر یک تیر موج‌دار یک‌سر درگیر و تاثیر پارامترهای محیطی بر ولتاژ بدست آمده، به روش اجزاء محدود بررسی شده است. دلیل استفاده از ساختار موج‌دار، افزایش مقاومت در ضخامت‌های کم و همچنین افزایش میدان کرنش موثر در المان آلیاژ حافظه‌دار است که باعث کاهش طول مجموعه و حجم اشغالی آن می‌شود. مبنای بازیابی انرژی از سیستم مذکور تبدیل انرژی ارتعاشی تیر به انرژی الکتریکی می‌باشد. یک سیم‌پیچ مسی حول المان‌های آلیاژ حافظه‌دار پیچیده شده و این مجموعه در یک میدان مغناطیسی ثابت قرار دارد. اگر یک میدان تنش یا کرنش به المان‌های آلیاژ حافظه‌دار وارد شود، جهت‌گیری اجزای موسوم به واریانت تغییر کرده و این امر باعث آشفته‌سازی میدان مغناطیسی اطراف المان آلیاژ حافظه‌دار می‌شود که بر اساس قانون فارادی، یک جریان الکتریکی در سیم‌پیچ القا می‌کند. این مسئله به وسیله شبیه‌سازی اجزاء محدود در نرم‌افزار آباکوس و استفاده از کد ساختاری ماده به جهت مدل‌سازی رفتار آلیاژ حافظه‌دار بررسی شده است. جهت مدل‌سازی رفتار آلیاژ حافظه‌دار از مدل غیرخطی گسترش یافته کیفر و لاگوداس استفاده شده است. در این تحقیق، تاثیر شرایط اولیه آلیاژ حافظه‌دار و میدان مغناطیسی خارجی بر ولتاژ خروجی بررسی شده است.

کلیدواژه‌ها

آلیاژ حافظه‌دار مغناطیسی؛ بازیابی انرژی؛ تیر موج‌دار؛ ارتعاشات؛ اجزا محدود

عنوان مقاله [English]

Finite Element Modeling of a Novel Magnetic Shape Memory Alloy Based Energy Harvester Using a Corrugated Beam and Investigating the Effective Parameters

نویسندگان [English]

Omid Safari¹؛ Mohammad Reza Zakerzadeh²؛ Mostafa Baghani³

¹School of mechanical engineering, College of engineering, University of Tehran

²School of mechanical engineering, College of engineering, University of Tehran

³دانشگاه تهران-مهندسی مکانیک

چکیده [English]

In recent years demand for mobile electrical power has been increased and due to this application, energy harvester systems have been developed to convert mechanical energy into suitable electrical energy using smart materials. In this investigation, a novel arrangement of a new energy harvester using magnetic shape memory alloys is developed. Elements of smart materials () are attached to a corrugated beam and their roots are fixed to the base support. The reason for using the corrugated beam is to increase the stiffness of the structure in less thickness and also to increase the effective strain field in smart material elements. This feature reduces the length of the system and the occupied volume. The way of harvesting energy from this system is based on the conversion of vibrational energy to the magnetic flux gradient. That is to say; there is a number of copper coils wrapped around the elements in a constant magnetic field. If strain or stress field is applied to the smart material elements, some variants in a specific direction are changed and as a result, the electrical current is induced to the coils. The alternating current voltage is produced as a result of the change in the magnetic flux of the surrounding coil according to Faraday’s Law. The problem is studied with simulations in Abaqus using user material code for modeling behaviour of magnetic shape memory alloy elements. Also, to simulate the material properties of smart material substance, Kiefer and Lagoudas nonlinear model is used. It will be shown the effect of various parameters on the output voltage value.

کلیدواژه‌ها [English]

Magnetic shape memory alloys, Energy harvester, Corrugated beam, Vibration, Finite element

مراجع

[1] S. Priya, D.J. Inman, Energy Harvesting Technologies, Springer US, Boston, MA, 2009.

[2] K. Takeya, E. Sasaki, Y. Kobayashi, Design and parametric study on energy harvesting from bridge vibration using tuned dual-mass damper systems, Journal of Sound and Vibration, 361 (2016) 50-65.

[3] K. Ullakko, J.K. Huang, C. Kantner, R.C. O’Handley, V.V. Kokorin, Large magnetic‐field‐induced strains in Ni 2 MnGa single crystals, Applied Physics Letters, 69 (1996) 1966-1968.

[4] J. Tellinen, I. Suorsa, I. Aaltio, K. Ullakko, Basic Properties of Magnetic Shape Memory Actuators, in: 8th international conference ACTUATOR 2002, 2002, pp. 10-12.

[5] S.P. Beeby, M.J. Tudor, N.M. White, Energy harvesting vibration sources for microsystems applications, Measurement Science and Technology, 17 (2006) R175-R195.

[6] N. Tran, M.H. Ghayesh, M. Arjomandi, Ambient vibration energy harvesters: A review on nonlinear techniques for performance enhancement, International Journal of Engineering Science, 127 (2018) 162-185.

[7] I. Karaman, B. Basaran, H.E. Karaca, A.I. Karsilayan, Y.I. Chumlyakov, Energy harvesting using martensite variant reorientation mechanism in a NiMnGa magnetic shape memory alloy, Applied Physics Letters, 90(17) (2007) 172505-172505.

[8] D. Avirovik, A. Kumar, R.J. Bodnar, S. Priya, Remote light energy harvesting and actuation using shape memory alloy—piezoelectric hybrid transducer, Smart Materials and Structures, 22(5) (2013) 052001.

[9] N.M. Bruno, C. Ciocanel, H.P. Feigenbaum, A. Waldauer, A theoretical and experimental investigation of power harvesting using the NiMnGa martensite reorientation mechanism, Smart Materials and Structures, 21 (2012) 094018.

[10] A.J. Niskanen, I. Laitinen, Design and Simulation of a Magnetic Shape Memory (MSM) Alloy Energy Harvester, Advances in Science and Technology, 78 (2012) 58-62.

[11] M. Gueltig, H. Ossmer, M. Ohtsuka, H. Miki, K. Tsuchiya, T. Takagi, M. Kohl, High Frequency Thermal Energy Harvesting Using Magnetic Shape Memory Films, Advanced Energy Materials, 4(17) (2014) 1400751.

[12] B. Gusarov, E. Gusarova, B. Viala, L. Gimeno, S. Boisseau, O. Cugat, E. Vandelle, B. Louison, Thermal energy harvesting by piezoelectric PVDF polymer coupled with shape memory alloy, Sensors and Actuators A: Physical, 243 (2016) 175-181.

[13] A.B. Waldauer, H.P. Feigenbaum, C. Ciocanel, N.M. Bruno, Improved thermodynamic model for magnetic shape memory alloys, Smart Materials and Structures, 21(9) (2012) 094015.

[14] B. Kiefer, D.C. Lagoudas, Modeling the coupled strain and magnetization response of magnetic shape memory alloys under magnetomechanical loading, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 20(2) (2009) 143-170.

[15] H. Sayyaadi, M.A.A. Farsangi, Frequency-dependent energy harvesting via magnetic shape memory alloys, Smart Materials and Structures, 24 (2015) 115022.

[16] M. Aureli, C. Prince, M. Porfiri, S.D. Peterson, Energy harvesting from base excitation of ionic polymer metal composites in fluid environments, Smart Materials and Structures, 19 (2010) 015003.

[17] M.A.A. Farsangi, H. Sayyaadi, M.R. Zakerzadeh, A novel inertial energy harvester using magnetic shape memory alloy, Smart Materials and Structures, 25 (2016) 105024.

[18] M.A.A. Farsangi, F. Cottone, H. Sayyaadi, M.R. Zakerzadeh, F. Orfei, L. Gammaitoni, Energy harvesting from structural vibrations of magnetic shape memory alloys, Applied Physics Letters, 110 (2017) 103905.

[19] Q. Dai, I. Park, R.L. Harne, Impulsive energy conversion with magnetically coupled nonlinear energy harvesting systems, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 29(11) (2018) 2374-2391.

[20] A. Erturk, D.J. Inman, An experimentally validated bimorph cantilever model for piezoelectric energy harvesting from base excitations, Smart Materials and Structures, 18(2) (2009) 025009-025009.

[21] S. Mohammadi, A. Esfandiari, Magnetostrictive vibration energy harvesting using strain energy method, Energy, 81 (2015) 519-525.

[22] V.C. de Sousa, C. De Marqui Junior, Airfoil-based piezoelectric energy harvesting by exploiting the pseudoelastic hysteresis of shape memory alloy springs, Smart Materials and Structures, 24(12) (2015) 125014.

[23] M. Borowiec, Energy harvesting of cantilever beam system with linear and nonlinear piezoelectric model, The European Physical Journal Special Topics, 224 (2015) 2771-2785.

[24] W. Cai, R.L. Harne, Electrical power management and optimization with nonlinear energy harvesting structures, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 30 (2019) 213-227.

[25] S. Roundy, P.K. Wright, J. Rabaey, A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes, Computer Communications, 26 (2003) 1131-1144.

[26] M. Shirani, M. Kadkhodaei, A modified constitutive model with an enhanced phase diagram for ferromagnetic shape memory alloys, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 26 (2015) 56-68.

[27] B. Kiefer, D.C. Lagoudas, Application of a magnetic SMA constitutive model in the analysis of magnetomechanical boundary value problems, SPIE, 2006.

[28] B.D. Coleman, W. Noll, The Thermodynamics of Elastic Materials with Heat Conduction and Viscosity, in: The Foundations of Mechanics and Thermodynamics, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 1974, pp. 145-156.

[29] H.P. Feigenbaum, C. Ciocanel, Experiments and Modeling of the Magneto-Mechanical Response of Magnetic Shape Memory Alloys, in: ASME 2009 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems, 2009, pp. 519-527.

[30] A.H. Nayfeh, D.T. Mook, Forced Oscillations of Systems Having a Single Degree of Freedom, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Germany, 1995.

[31] K. Haldar, B. Kiefer, D.C. Lagoudas, Finite element analysis of the demagnetization effect and stress inhomogeneities in magnetic shape memory alloy samples, Philosophical Magazine, 91 (2011) 4126-4157.

[32] V. Thomée, Galerkin Finite Element Methods for Parabolic Problems, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 1997.

آمار

تعداد مشاهده مقاله: 1,070

تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 1,128

سامانه مدیریت نشریات علمی. طراحی و پیاده سازی از سیناوب

پیوندهای مفید

آمار

مدل‌سازی اجزا محدود یک برداشت‌کننده انرژی نوآورانه با استفاده از آلیاژ حافظه‌دار مغناطیسی بر پایه تیر موج‌دار و بررسی پارامترهای موثر بر آن