碳纤维复合结构上压电宏观纤维复合材料的机电耦合振动有限元模型

摘要： 本文采用商业有限元软件COMSOL建立了有限元模型，用于模拟压电振动能量收集（PVEH）的多物理过程，涉及碳纤维复合结构上压电宏观纤维复合材料（MFC）的动态力学与电学行为。MFC的集成实现了能量收集、传感和驱动功能，在航空航天、汽车和可再生能源领域具有应用价值。现有文献中关于PVEH动态响应与实际振动数据关联的建模存在空白，多数模拟要么是几何非特异性的半解析MATLAB模型，要么是仅限于正弦分析的基础有限元模拟。然而，使用代表性环境振动数据对预测工业开发中的实际行为至关重要。该有限元模型结合了涉及固体力学和静电学的压电器件物理特性，并定义了电路系统。通过插值振动数据文件对结构进行动态激励，同时分别定义MFC和碳纤维复合材料的正交各向异性材料属性以确保精度。仿真结果与实验验证偏差小于10%，为所提出的多物理场有限元模型在设计优化PVEH智能复合结构方面提供了可靠性依据。