研究目的
开发并验证一个有限元模型，用于模拟基于真实振动数据的压电振动能量采集多物理过程，以填补现有文献中的空白。
研究成果
所提出的多物理场有限元模型利用真实振动数据，准确模拟了复合材料结构上压电振动能量收集的动态响应，实验验证显示偏差小于10%。该模型支持参数化研究以实现设计优化，适用于航空航天和汽车等各类工业应用场景。
研究不足
振动数据的插值可能因数学运算丢失部分信息。制造公差和材料属性的不确定性会导致结果偏差。由于背景噪声影响，该模型在低功率水平（<0.1 mW）下的可靠性会降低。本研究仅针对特定MFC和CFRP配置，可能无法推广至其他材料或拓扑结构。
1：实验设计与方法选择：
采用COMSOL Multiphysics软件建立有限元模型，整合固体力学、静电学和电路物理场。通过特征频率分析、时域模态分析和频域模态研究来解析共振频率、振型及响应特性。利用插值法处理多领域振动数据作为动态载荷输入。
2：样本选取与数据来源：
选用Smart Material公司压电宏观纤维复合材料(MFC)换能器(M8525-P2)，集成于碳纤维复合梁(宽60毫米/长200毫米)。通过加速度计数据记录仪采集航空航天、汽车、发动机、桥梁及轨道交通等场景的振动数据。
3：实验设备与材料清单：
COMSOL Multiphysics软件、MFC换能器(M8525-P2，Smart Material)、碳纤维复合材料(RC200T)、电动振动台、加速度计、阻抗盒、数字示波器、Agilent波形编辑器、Agilent函数/任意波形发生器、BKSV LDS电动振动台。
4：实验流程与操作规范：
有限元模型设置MFC与CFRP正交各向异性材料参数，通过插值函数导入振动数据文件，求解机械与电学响应。实验验证阶段将原型安装于振动台，施加正弦波与实测振动激励并测量输出信号。
5：数据分析方法：
采用MATLAB的FFT和STFT进行频域特性分析，根据负载电阻RMS电压计算输出功率，通过实验数据拟合阻尼比参数。
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COMSOL Multiphysics
COMSOL
Finite element software used for simulating multiphysical processes including solid mechanics, electrostatics, and electrical circuits.
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MFC transducer
M8525-P2
Smart Material
Piezoelectric macro fibre composite used for energy harvesting, sensing, and actuation on carbon fibre composite structures.
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Carbon fibre composite
RC200T
Base material for the composite beam structure in the energy harvesting device.
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Electrodynamic shaker
BKSV LDS
BKSV
Used to mechanically excite the prototype device for experimental validation.
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Accelerometer data logger
Gulf Coast Data Concepts
Used to measure and log vibration data from various environments for input into the FE model.
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Agilent Waveform Editor
Agilent
Software used to communicate vibration data to the arbitrary wave generator for experimental excitation.
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Agilent function/arbitrary wave generator
Agilent
Used to program the electrodynamic shaker with vibration data traces for experimental testing.
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Digital oscilloscope
Used to measure electrical outputs such as voltage from the energy harvesting device.
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Impedance box
Used to set and measure load resistance for power output calculations in experiments.
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