مطالعه تجربي و عددي برداشت انرژي از بارگذاري هارمونيك وارد بر بال ميكروپهپادهاي داراي نسبت منظري بالا

Experimental and numerical studies on energy harvesting from harmonic loads acting upon the wings of high aspect ratio MAVs

در اين پژوهش با استفاده از مواد پيزوالكتريك يك ميكرو ژنراتور به‌ منظور تأمين انرژي مدارهاي الكتريكي يك ميكروپهپاد طراحي شده است. براي اين منظور، يك بال كامپوزيتي كامل هواپيما شامل تمامي اجزاي سازه‌اي آن مانند ريب‌ها، اسپارها و پوسته‌ها به كمك نرم‌افزار COMSOL multiphysics طراحي شد. بر روي اسپار اين بال يك قطعه از جنس پيزوالكتريك مدل‌سازي شده است. اين بال به‌ صورت تير يكسر گيردار مدل شده كه انتهاي آن با فركانس‌ها و دامنه‌هاي مشخص به صورت نوساني تحريك مي‌شود. در طي نوسان، ميزان تنش و كرنش اجزاي بال با استفاده از روش المان محدود كسب شده و اختلاف‌ پتانسيل با كوپل معادلات حاكم پيزوالكتريك با كرنش‌ها محاسبه شده است. پس‌ از آن، يك مدل آزمايشگاهي با مشخصات كاملاً مشابه با مدل عددي ساخته شده و مورد آزمايش قرار گرفته است. به‌منظور صحت سنجي، نتايج به‌دست‌آمده از حل عددي با نتايج حاصل از آزمايش تجربي مقايسه شده‌اند. سپس اثر متغيرهايي همچون نسبت منظري بال، ابعاد مواد پيزوالكتريك و ضخامت اسپار بر ميزان اختلاف‌ پتانسيل ايجاد شده مورد مطالعه قرار گرفته است. در نهايت، نتايج به‌ دست‌ آمده مورد بحث و بررسي قرار گرفته‌اند.

In this study, a microgenerator is designed to supply the energy needed for electrical circuits of a MAV using piezoelectric materials. For this purpose, a composite airplane wing including all structural elements such as the ribs, spars and skins was designed in COMSOL multiphysics software. On the spar of this wing, a piezoelectric piece is modeled. The wing is modeled as a cantilever beam that its end is excited in an oscillatory manner with given frequencies and amplitudes. During the oscillation, the stress and strain of the wing elements are obtained using the finite element method and the amount of the generated voltage is calculated by coupling the piezoelectric governing equations with the strains. Next, an experimental model is created with the same characteristics of the numerical model and tested. The results of the numerical solution are compared with the results of the experimental tests for the verification. Afterwards, the effects of parameters such as the aspect ratio, the size of piezoelectric materials and the spar thickness on the generated voltage are studied. Finally, the results have been discussed.