TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 9, September  2014, pp. 64 7 9  ~ 649 3   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i9.601 2          6479     Re cei v ed Ma rch 2 3 , 2014;  Re vised June  25, 2014; Accepte d  Jul y  1 0 , 2014   Structure and Mechan ical Analysis of Single Cantilever  Piezoelectric E n ergy Harvester      Jie Zhao* 1 , Fenglin Yao 2 ,   Shiqiao Gao 3   1 Departme n t of Computer En g i ne erin g, T a iyu an  Un iversit y , 18 South D a ch ang R o a d , Economic a nd  T e chnolog ica l  Devel opm ent Z one, T a i y u an,  S han xi, 030 03 2,Chi na, Ph./F ax: (8 6)03 51- 8 378 00 6   2 Mechan ical E ngi neer in g coll ege, T a i y u an U n iversit y  of Sci ence a nd T e chnol og y, 66 W a l i u Street,  W anba ili n Distr ict, 03002 4, T a i y ua n, Shan xi, Chin a, Ph./F ax: (86) 0351- 69 981 15   3 School of Mec hatron i cal E ngi neer ing, Be iji n g  Instit ute of  T e chn o lo g y , 5 South Z hon gg ua ncun Street,  Haid ia n District ,  10086, Be iji n g , Chin a, Ph./Fax: (8 6) 010- 68 911 63 1   *Corres p o ndi n g  author, em ail :  ty d x c o mp uter @16 3 .com 1 jason y fl@ 163.co m 2 Shiqiao g a o @bit.e du.cn 3       A b st r a ct   Cantil ever en e r gy  harv e ster has  b e co me the  ma in struct ure i n   pi e z o e l ectric en ergy  harvester.   T here ar e tw o differe nt methods t o  b u il their  mo de l. One is  lu mpe d   para m eter  mo del; th e oth e r  i s   distrib u ted p a r a meter  mo del.  By bui ldi ng t heir  gover n e q uatio n a nd so l v ing th e m , a m plitu de-freq ue n c character i stics, pow er  an na tural fre q u ency  of the   mo del  are obtai ne d. Co mp ariso n   of   mod e fre q u e n cy   and  a m pl itud e  are  ma de  bet w een tw o mod e ls. Prob le ms ,  scope  of ap pl icatio n a nd co rrect met hod f o r   ener gy h a rvest e r are  als o  g i v en w h ic h pr ovi des re li abl e th eoretic al r e fere nce a n d  make s soli d fou n d a tio n   for energy h a rv ester desi gn.     Ke y w ords :  en ergy harv e ster, lumpe d  mass, Euler Ber n o u lli  bea m, sin g le c antil ever     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   With the  ap pl ication  of  wireless  se nsor  netwo rks be come m o re a n d  mo re  wid e s pread,  sup p ly energ y  for these wirele ss  sen s o r s p r ove s   to be a signifi ca nt issu e. At the sam e  time owin g to the  appli c ation  of MEMS technolo g y,  the  power con s u mmation  of wirel e ss sen s o r become m o re and m o re l o w. Mo reove r , for the ambi ent vibration l i es eve r ywh e re, the vibrati on  can  supply  e nergy  for th e  low-po we consumption   wirel e ss  se nsor via  en ergy  ha rveste which  transfo rm s vi bration  into  e l ectri c ity. It is a favo rabl approa ch to   deal  with th e  long  time  po wer  sup p ly for th e wi rele ss sensor [1]. T herefo r e, n u m ero u scho lars have  re sea r ched  en ergy   harve sting te chn o logy. Th e pie z oel ectri c  en ergy  har v e st er  be com e s f o cu s f o simple  st r u ct ur e   and hig her e n e rgy co nversi on efficien cy [2].  Cantileve rs i s  the  mo st  simple,  effect ive and g e n e rally u s e d   geomet ry. Study an d   analyze the stru cture and  mech ani cal  relation ship  is the ba si s of the re search of en ergy   harve ster. G enerally, there are  two m e ch ani cal  mo dels fo r e nergy harve ster.  One i s  lum p ed   para m eter m odel (S prin g  vibrator  mo del), the  oth e r i s  di stribu ted pa ramet e r mo del  (Euler  Bernoulli model) [3].      2. Lumped Parameter Mo del for Single Can t ilev e Energ y  Har v este r   Non  coupl ed  lumped  pa ra meter  mod e is lu mped  pa ramete r m o d e l. It is  con v enient   way to model . Acquire d the parameter  of the mec h a n ical p a rt of the ha rveste r, the mech ani cal   equilib rium  equatio n an d electri c al  balan ce e q u a tion ca n b e  build up  by piezo e le ctric   con s titutive relation.And t he tra n sfo r mi ng relation sh ip is b u ild u p . The  simpl i fied model  can  interp ret som e  feature of the ene rgy ha rveste r more accurately.    2.1. Model Structur e   The sket ch o f  the single  cantilever b e a m  energy  ha rveste r is  sh own in  Figu re 1. It is   con s tituted  of pola r ized  pie z oel ectri c   plat e alo ng th e d epth of th e la yer an an  elastic layer.  T h e   whol e stru ctu r e is cl amp e d  end of the beam an d fo rm into a ca ntilever struct ure. The e n e r gy  harve ster vibrates  harmoni cally in  the  a m bient vib r ati on. The  am pli t ude of it i s  A ,  and f r equ en cy  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  54 79 – 649 3   6480 is . And the cantilever vibration belon gs to  bending vibration m ode . Moreover, a  lumped ma ss  is fixed on the free end of  the beam tha t  adjust  the reso nate freq uen cy and in cre a se the o u tput  power. T h e  p i ezo e le ctric p l ate is  covere d with   ele c tro de o n  th e u p per an d lo we surfa c e.  Th e   electrode  is conne cted  wit h  loa d   circuit  and fo rm  cl ose  ci rcuit. T he imp eda nce of lo ad  circuit is  r e pr es e n t ed  w i th L Z     L Z m L       Figure 1. Model of Single Cantileve r En ergy  Harve s te r wit h  Lumpe d Ma ss o n  the End   Figure 2. Equivalent System of Single  Cantileve r En ergy Ha rve s ter                                Single cantil ever e nergy harve ster  can be  sim p li fied as  sin g l e  deg ree  of  freed om  system if m a ss of the  bea m is   reg a rdl e ss and  lump ed ma ss a n d  beam  vibrat e in the  verti c al  dire ction. Th e n , the ene rgy  harve ster m odel  can  b e  repla c ed by th e sp ring -ma s s sy stem sho w in Figu re 2. T he sprin g -m a ss  syste m  is  more  se nsitiv e to ambie n t vibration a nd  gene rate fo rced  vibration.   In the mod e l  above m ent ioned, m a in  mech ani cal  compon ents a r e in ertia m a ss  and   sup port  sp rin g . Mass i s   conne ct to the  ba se th rou g h  the  sp ring.  The  st iffness of th e en ergy  harve ster  can  be expre s se by the sp ring stiffness k .The syste m  m a ss ca n be repla c ed by th lumped  mass. With the a c t of vibrate a c celeration,  the ha rveste will vibrate.  Displa ceme nt of  the base is repre s e n ted with 1 z , relative displa cem ent of the  mass to the base is represente d   with 0 z , and the n  ma ss di spl a cem ent  relat i ve to the fra m e is re presented  with 1 0 1 0 z z z . (Only   the relative d i spla cem ent can p r od uce deform a ti on in spri ng.) Re serve d  ene rg y is in form of  elasti c p o tent ial en ergy i n  t he p r o c e s s of  tr an sform of  system. T h e   output  a nd di ssi pate ene rgy  is refle c t on the dampi ng. Dampi ng is  repre s e n ted with c   2.2. Diffe ren t ial Equation of Spring Vibrator M odel   If displaceme nt of the measu r ed b a se is  1 z (velocity is  dt dz 1 ,ac c e leration is   2 1 2 d t z d ) that   use d  as in put 2 01 2 d t z d  of the mass ca n be u s e d  as outp u t. So, differential equatio n o f  the mass  c an be written as  follow [4].    2 2 01 2 01 2 01 2 2 dt z d z dt dz dt z d n                                                                                               (1)    m c 2 /  is dampin g  coefficient,  m k n /  is natural frequ ency of the system.  The am bient  vibration  ca n be rega rde d  as  sy nthe sis of many v i bration s  of  different  freque nci e s.  The e nerg y  harveste r  natural  fre quen cy take s the m a in  freque ncy  of the   environ ment i n to acco unt d u ring  de sign  pro c e ss. So,  singl e freq ue ncy vibratio can  be referred   as re se arch e m pha sis. Th e  ambient  vibration ca n be  written a s  follow.     t A t z sin ) ( 1                                                                                                                                (2)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Structu r e and  Mecha n ical Analysis of Si ngle  Cantilever Piezoele c tric Energy… (Jie Zha o 6481 A  is amplitu d e  of vibration,   is freq uen cy . The accel e ration of the  vibration  can  be  obtain by differentiate o n  the displa cem ent function.     t A dt z d sin 2 1 2                                                                                                                            (3)    Subs titute (3) into (1), then:      t A z dt dz dt z d n sin 2 2 01 2 01 2 01 2                                                                                        (4)    The  solutio n   of differe ntial Equation  (4) incl ude s t w o pa rts. T h e  first  part  is  the fre e   vibration whi c h do esn’t take am bient vibration ex ci ta tion into con s iderin g. i.e. the right  side  of  the differe ntial eq uation   equal ze ro  that ma ke   a hom oge ne ous second -orde r   differe ntial  equatio n. If the attenu atio n vibration i s  think  a bout,  gene ral  solu tion of the e quation  ca be   written as  follow:     ) sin( ) ( ) sin cos ( 2 2 2 2 2 2 1 t c m k mA t C t C e z t                                         (5)    ) ( arctan 2 m k c                                                                                                                          (6)    Equation expl ain that the lumped p a ra meter sy stem  that make u p  of sprin g , mass and  dampin g  vibrate und er fo rced vib r ation.  The first ite m ) sin cos ( 2 1 t C t C e t , when   t ,i t   trend s to ze ro and  kno w n  as tran sie n t terms. It  expresse s that the amp litud e of the vibration   grad ually attenuate s . The  second item  is kno w a s  stea dy item. And it expre s ses that  the   amplitude a n d  the cycle a r e invariant wit h  the time.  Therefore,  when the  ambi ent is  re son a n t exci tation,  the sprin g -m a s s vibratio n system is  a stable p e ri odic vibration .  If  c  and  ) ( 2 m k  are too small, the vibration at tenuate s  mild ly. If  the am bient  freq uen cy i s   clo s e  to n a tural  freq ue ncy 2 2 4 2 1 m c m k f , amplitu de m a y be  tremen dou s l a rge, this  situ ation is called  as re son a n c e.  Thus, the rela tive vibration of spri n g -m ass syste m  is gi ven as bel ow.     ) sin( 01 t A z                                                                                                                      (7)    Whe r e,     2 2 2 2 )] / ( 2 [ ] ) / ( 1 [ ) / ( n n n A A                                                                                           (8)    2 ) / ( 1 ) / ( 2 arctan n n                                                                                                                          (9)    The displa ce ment  ) ( 1 0 t z  of  t h e mass  m  relative to the fra m e is harmo nic vibratio n   obviously i.e.  ) sin( ) ( 1 0 t A t z ,but the phase an gle is differ  . is d a mping ratio  and  km c 2 . n is the natu r al  freque ncy of  the syste m  a nd  m k n / .The difference of ampli t ude  and ph ase is  depe nd on   and  n Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  54 79 – 649 3   6482 Becau s of relative di spl a cem ent of the ine r tia m a ss is 01 z , according to  Ne wton’ se con d  la w, the deformati on force th at inerti a syste m   pro d u c ed unde the  ex citation can be   written a s  bel ow.     ) sin( 2 01 t A m z m F                                                                                               (10)    2.3. Amplitude-frequ enc y  Characteri s tic of the Spring-v i brator Model   Acco rdi ng to the re sult  that m entioned p r evio usly, amplit ude-f r eq uen cy  ) ( x A cha r a c teri stic and pha se -f reque ncy characteri stic  ) ( are  sho w n a s  bel ow.     2 2 2 2 1 01 )] / ( 2 [ ] ) / ( 1 [ ) / ( ) ( n n n x Z Z A                                                                   (11)    2 ) / ( 1 ) / ( 2 arctan ) ( n n                                                                                                            (12)    Amplitude-f r e quen cy cu rve s  and  pha se -freque ncy  cu rves a r sho w n in Fig u re  3 and  Figure 4 acco rding to the t w o eq uation t hat mention p r eviou s ly.    0 2468 1 0 0 1 2 3 4 5       z 01 /z 1 ω / ω n      0 2468 1 0 -2 0 0 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0 16 0 18 0 20 0        φ ( ω ) ω / ω n   Figure 3. Amplitude un der  Different Da mping  Ratio   Figure 4. Phase Angle u n d e r Different  Dampi ng Ratio                                 As ca n be  se en from  Figu re 3, the ampli t ude of  the  cantilever i s  la rge r  5 time s than the   ambient vibra t ion whe n   1 . 0  and  n .In other wo rds,  cantileve r model i s  mo re se nsitive to  the ambie n t environ ment  and am plify the amplitu d e .  On the oth e r ha nd, the  amplitude i s   th e   bigge st wh en  vibration is reso nan ce, an d sma lle r da mping can ge t bigger am pli t ude. More over,   it can be  co nclu ded that  dampin g  is  a criti c al  p a rameter fo r cantilever e n e r gy ha rveste r. It  affects not on ly the amplitude of  the ene rgy harve ster  but also the  p hase that sho w n in Figu re  4.  Phase  will  affect both  ele c tri c  current  and volt  of t he en ergy h a rveste circuit. Gene rally , the   dampin g  is b e twee n 0.01  and 0.05.     2.4. Po w e r o f  Spring-v i br ator Mod e As sho w n in  Equation (7), the amplitude  of the vibrator is  A Z 01   2 2 2 2 ) 2 ( ) 1 ( '  A A                                                                                                              (13)    Whe r n , the powe r  of it is shown as b e lo w.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Structu r e and  Mecha n ical Analysis of Si ngle  Cantilever Piezoele c tric Energy… (Jie Zha o 6483 2 2 2 3 2 3 ) 2 ( ) 1 (  A m P e                                                                                                                    (14)    The output p o we r will be  max when th e freque ncy  of excitation equal to the reso nan ce  freque ncy. i.e.  1     4 2 3 A m P e                                                                                                                                       (15)    The affect factors  can be  concl ude d that as belo w  [1].  (1) Bigg er m a ss of ene rg y harveste r  can harve st  more p o wer.  So it is important to   increa se th mass of  the  energy ha rve s ter a s   po ssi b le.  And add  mass  o n   the  end of  the be am  can n o t only decrea s e the  natural frequ ency but al so  incre a se out put power.   (2)  High er freque ncy of the ene rgy h a rveste r can  harve st hig her p o wer.  Ho wever,  highe r frequ e n cy m a kes smaller amplit ude. So  it is   i m porta nt  to consi der  the a m plitude as well  as the fre que ncy is con c erned.   ( 3 ) Sma ller  da mp in g mak e s  b i gg er  p o we r .  Bu t it is no t p r e tty as  sma ll as  p o ss ib le . T h output of ene rgy harve ster  is dep endin g   upon the p o wer that dampi ng co nsumm a tion.  (4) Incre a se   of dam ping  ratio is hel p t o  fr e quen cy sen s itivity  of  energy ha rve s ter that  near the  re so nan ce freq ue ncy.    2.5. Natu ral Freque nc y  Solv ing of Spring-v i brator     L x c z     Figure 5. Defl ection  Curve  of Cantilever      2.5.1. Lumped Mass is Ta ken into Acc ount  Whe n  singl e  cantilever b eam simplifie d as sp ring -vibrator mo d e l, elastic el ement is  cantileve r structure. The  mass of ca ntilever hav e significa nt pro portion of th e system. So it  cannot be i g nored. Otherwise, the cal c ulated  frequency  will be obvious ly high. Generall y,  Rayleig h  method is u s ed  to calculate the natur al freque ncy of single ca ntilever pie z oel ect r ic  energy harve ster [5].    3 ) ' 140 33 ( 420 ' ) 140 / 33 ( L m m YI m m k c n                                                                           (16)    ' m  is lumped  mass on the  free end,  m is mass of the  cantilever.  B e ca use of the assume bendi ng  cu rve is differe nt from th e real v i bration  cu re,  the calculate d  natu r al f r eq uen cy is sli g h t ly  highe r than th e accurate.     2.5.2. Non L u mped Mas s  Condition   Acco rdi ng to the derivation  as above, if  t he mass on the end doe sn’t take into account,   the natu r al  freque ncy i s   a s  Eq uation  (16). T h e  eq u i valent ma ss is  m 140 33 . Compare to the   con d ition of lumped m a ss  cantileve r, na tural fr eq uen cy of the cantilever is obvio usly lower.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  54 79 – 649 3   6484 3 11 140 ) 140 / 33 ( mL YI m k c n                                                                                                       (17)      3. Euler Bernoulli Model of Single Cantilev e r   Although  lum ped  pa ramet e r m odel  ha s give n p r eli m inary  sol u tion of  the  problem  by   simplification.  But it is co nfined in  sin g le  freed om vibration. It lacks of detailed  d e formatio n a nd  vibration of th e cantileve r, su ch a s  vibra t ion mode,  a c curate strain  distrib u tion a nd ele c tri c  affect  etc. Fa cts  sh own th at for the tran sve r se vib r ation  cantileve r, h a rmo n ic  excit a tion of lum ped  para m eter m odel m a y lea d  great e rro r.  The e r ror  dep end s on  spe c ific ratio  of en d ma ss and  the  mass of  cant ilever. As  sh own i n  Fig u re 6, for t r an sverse  vibratio n of sl end er  beam,  sup p o s e   prin cipal  axis  of inertia  of e v ery cro s s se ction s  a r e i n  t he  same  pla n e XOZ. External loa d  i s  al so   in the plan e. The be am wil l  vibrate in th e pl ane. T h e n  main defo r mation of the  beam i s  ben d i ng.  If length is  great 5 time s t han the  heig h t of beam s, she a r deform a tions and   th cro ss se cti o n   spin ning a r o und their p r i n cip a l axis o f  inertia can  be ignore d .  In this case, the beam  is   equivalent to  Euler Bernoul li beam [6].    3.1. Laminate Struc t ure a nd Part ial Equation of Single Cantilever    R c z     Figure 6. Euler Bernoulli Cantilever Model      The e nd fixe d cantilever i s  ma de  up t w o l a yers. T he le ngth of  it is L , width i s   b t h ick n e ss ar e   p t (PZT laye r) and  m t (elastic layer), th e l u mped  ma ss is  ' m ( L x ),the en d i s   fixed( 0 x ).Top la yer is pie z oel ectri c  layer a nd the bottom layer is ela s tic layer. Two layers a r e   smooth  co ntinuou s an d h a ve no relati ve sliding.  It is suppo se d  that the layers  are unifo rm.  Elastic m odel  of PZT layer is  p Y , bendin g   moment of i n ertia i s   p I , thic kness  is   p t , and  cross- se ct ion a r e a  i s   p A ( p bt ). Elasti model  of ela s tic layer i s m Y , bendin g  mom ent of ine r tia  is  m I t h ick n e ss i s   m t , and cro s s-se ction area is  m A ( m bt ) . Subscr ipt  p si gnifies PZT l a yer, ). Subscript   m signifie s  ela s tic laye r. Curvatu r e i s R C / 1 , and the dimen s ionl ess co uple  effect of  piezoele c tri c  effect  is  2 / 1 0 2 31 ) / ( p p Y d k that sup p o s e to  be le ss th an   L / 1 . 31 d  is polarizatio n   cou p ling coef ficient  in  z  dire ction when  subje c ted to st ress/ s train in  x dire ction.  0  is  vacuum  permittivity,  p  is relative pe rmittivity of piezo e le ctric  material. Be n d ing  stiffness of the b eam  about the n e u tral axis  c z  is  sho w n a s  b e l o w in Fi gure  7. ( p D  is b endin g  stiffness of  unit width.  [7])    ] ) 12 ) [( ] ) 12 ) [( 1 2 2 1 2 2 N i i N i i i N i i N i i i p t z z Y bt t z z Y A b D YI                                 (18)    If the beam i s  mad e  up o f  two layers, the equatio can  be si mpl i fied as b e lo w. The  uppe r is pie z oele c tric m a terial an d the lowe r is ela s ti c materi al.    ) ( 12 ) 3 2 2 ( 2 2 2 4 2 4 2 m m p p m P m p m P m p m m p p p t Y t Y t t t t t t Y Y t Y t Y D                                                                      (19)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Structu r e and  Mecha n ical Analysis of Si ngle  Cantilever Piezoele c tric Energy… (Jie Zha o 6485 For laminated layer,  c z N i i N i i i Yt z Yt 1 1 , i z  is center  axis of  the co ordi nat e of the  i th layer.  i t  is the  t h ick n e ss of   i th layer that is sho w n in Fig u re 7.           Figure 7.   Model of Euler Berno u lli       ) ( 2 2 2 1 1 p p m m m m p p N i i i N i i i i c t Y t Y t Y t Y t Y z t Y z                                                                                                 (20)    m m p p N i i i i bt bt t b m 1                                                                                                     (21)    m is the mass o f  unit length, for the co nven ience of  derivation, it can be con c lud ed  as belo w  by   prin ciple of virtual wo rk [5] .      0 ) , ( ) , ( ) , ( 2 2 4 4 t x F t t x w m x t x w YI ( L x 0 )                                                            (22)    ) ( ) , ( ) , ( t F x t x z b t x F m                                                                                                          (23)    The first item  in equatio n (2 3) is d a mpin g  force, the se con d  item  ) ( t F  is prod uced force   that cau s ed b y  vibration along z . ) , ( t x w  is the deflection when  time is  t   3.2. Free Vibration Soluti on tha t   w i th out Lumpe d Mass on the  Beam End    For th ene rg y harve ster i s  ca ntilever st ructure  wi th  si ngle-end  fixed, t he vib r atio n of it i s   force d  vibrati on und er b a s e ex citation.  In this ca se,  the forced b a se  of singl e - end  ca nnot  be   rega rd ed a s  fixed. Base excitation (small deflect io n con d ition s ) is take n ba se excitatio n  that  prop osed  by  Erturk an d In man [3]. If the cro s s secti on of  ca ntilever is unifo rm and  have   no  lumped  ma ss on the  en d, the tra n sl ation a l motion  is  ) ( t g , tiny rotation  o f  the ro ot is  ) ( t h  whi c is sh own in Figure 8.       Figure 8. Fre e  Vibration of  Single Cantil ever Co nsi d e r  the Rotation  of Root      As de scriptio n of Timo sh enko [8], ab solute  displa ceme nt  ) , ( t x w   is sum of  ba se  displ a cement   ) , ( t x w b  and tran sverse di spla cem ent ) , ( t x w rel [9].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  54 79 – 649 3   6486 ) , ( ) , ( ) , ( t x w t x w t x w rel b                                                                                                          (24)    ) , ( t x w b  rep r e s ent s the di spla cem ent of the fixed end,  ) , ( t x w rel  is the  transve rse di spla cem ent t o   the fixed end.    ) ( ) ( ) ( ) ( ) , ( 2 1 t h x t g x t x w b                                                                                                    (25)    ) ( 1 x  and  ) ( 2 x  are tran slate affect fu nction a nd rotate  affect fun c tion. For  ca n t ilever whi c has  no lumpe d  m a ss on the en d, the partial  equatio n of it  can b e  sh own as bel ow.     ) ( )] , ( [ ) , ( ) , ( 2 2 4 4 t F t x w x b t t x w m x t x w YI b m rel rel                                                           (26)    If  ) ( t F =0 i n  eq uat ion, the eq ua tion turn i n to  corre s p ondin g  homo gen e ous  equ ation  and  can  be  solved by variable s  se para t ion. Gene ral  solutio n  of  de flection is  su perp o sitio n  of every prin cip a vibration mo d e  and can be  written a s  bel ow.     1 ) ( ) ( ) , ( r r r rel t x t x w                                                                                                                        (27)    After derivation,    ) ( )]} ( ) ( 2 ) ( )[ ( { 2 2 2 2 2 1 t f t dt t d dt t d x r r r r r r r r                                                         (28)    Whe r e m b m r r 2 m YIk r r 4 2 m t F t f ) ( ) (   If  ) ( x r  is reg u lar  mode, the vibration mo de satisfies:     0 ) ( ) ( 4 4 4 x k dx x d r r r                                                                                                                   (29)    From  ) ( )]} ( ) ( 2 ) ( )[ ( { 2 2 2 2 2 1 t f t dt t d dt t d x r r r r r r r n .   Ac c o rding to formula ) ( )]} ( ) ( 2 ) ( )[ ( { 2 2 2 2 2 1 t f t dt t d dt t d x r r r r r r r n , it can  be obtaine d as:     ) ( ) ( ) ( 2 ) ( 2 2 2 2 2 t N t dt t d dt t d r r r r r r r                                                                             (30)    Modal excitati on functio n  of  r th is   )] ( ) ( [ ) ( t a t a m t N r w w r r                                                                                                        (31)    dx x L x r w r 0 ) (  and   dx x L x r r 0 ) (  are  r th integration  con s tant.  2 2 ) ( ) ( dt t g d t a w 2 2 ) ( ) ( dt t h d t a   are tran slate  and rotate vel o city re spe c ti vely. If bas e tran slate a nd  rotate are  arbi trary fun c tion,   it  can b e  obtain ed by Duh a m e l integratio n.    d t e t N t rd t t r rd r r r ) ( sin ) ( 1 ) ( ) ( 0                                                                                 (32)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Structu r e and  Mecha n ical Analysis of Si ngle  Cantilever Piezoele c tric Energy… (Jie Zha o 6487 rd  is dampin g  freque ncy of  r th mode.  r r rd 1  ,and  r is dampi ng ratio of  r th mode.    1 ) ( 0 ) ( sin ) ( ) ( ) , ( r rd t t r rd r rel d t e t N x t x w r r                                                              (33)    3.3. Forced  Vibration So lution tha t   w i thout Lump e d Mass on  the Beam En d   Back to  non -homog ene ou s e quatio n, fo cu s o n  the  lo we st o r de r m ode  ( 1 r ) that  clo s ely  relate s to ene rgy harve ster  [10].    t i t i e Z dt e Z d m t F t f 1 1 2 1 0 2 0 2 ) ( ) ( ) (                                                                                       (34)    Acco rdi ng to Equation (28), the following  equation  can  be got.    t i e Z t t t x 1 2 1 0 1 2 1 1 1 1 1 1 )] ( ) ( 2 ) ( )[ (                                                                          (35)    That is,     ) sinh( ) sin( )] sin( ) cosh( ) sinh( ) [cos( 2 1 ) ( 1 1 1 1 1 1 1 L k L k L k L k L k L k mL L                                                         (36)    Acco rdi ng to Equation (30) , the resp onse of vibration mode is  cha n ged a s  belo w   t i w r r r r r r r e Z m t d t t d d t t d 0 2 2 2 2 2 2 ) ( ) ( 2 ) (                                                                    (37)    By way of Duhamel integ r a t ion,    t i r r r w r r e Z i m t  0 2 2 2 2 ) (                                                                                               (38)    Substitute the  integration  consta nt of  r th mode,     m L L k dx x r L x r w r r 0 r 2 ) (                                                                                                           (39)    t i r r r r r e Z i L k mL t  0 2 2 2 r ) 2 ( r 2 ) (                                                                                                  (40)    Substitute the  above into 1 ) ( ) ( ) , ( n r r rel t x t x w , the re sp on se  of cantileve unde r force d   vibration can  be obtain ed.     1 2 2 r r 0 2 ) 2 ( )]} sinh( ) [sin( r )] cosh( ) {[cos( r 2 ) , ( r n n r r r r r r t i rel i L k x k x k x k x k e Z t L w                              (41)    3.4. Model Take th e Lum ped Mas s  into Acco unt  The  cantileve r that previou s ly cal c ul ated  is  unifo rm  cross sectio n a nd ha s n o  lu mped   mass. Nevertheless, for decrea s e n a t ural fr equ en cy and dimi nish dim e n s i on of energ y   harvester, a lumped  mass will  be  attached  on the end of  be am. The vibration m ode  and  eigenvalu e  are not appli c a b le for this m odel [9]. If  the lumped ma ss is  ' m  as sho w n in Figure 9.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  54 79 – 649 3   6488   Figure 9.   Single Ca ntilever with Lumpe d  Mass       Acco rdi ng to  Equation  (26 )  and (28), fo r singl ca ntilever with l u m ped ma ss, the partial  equatio n ca n be written a s   belo w   2 2 2 2 4 4 ) , ( )] ( ' [ ) , ( ) , ( t t x w L x m m t t x w m x t x w YI b rel rel                                                 (42)    The corre s po nding Eig env alue s will  ch ange  with re spe c t to the  cha nge of o r t hogo nal   con d ition. Th e vibration m ode fun c tion  will ch ange a s  belo w .     )] ) ( sinh - ) (   (s s ) (   cos ) ( cosh [ ) ( r r x k x k in x k x k C x r r r r r                                                  (43)    )] (   sinh ) ( [sin ' )] (   cos ) ( mL[cosh )] (   cos ) ( [cosh ' )] ( sinh - ) ( mL[s s r L k L k Lm k L k L k L k L k Lm k L k L k in r r r r r r r r r r                                            (44)    If  L k r , eigenvalu e  of the vib r a t ion mod e  ca n sati sfy the  equatio n a s   belo w . It is a  transce nde ntal equatio n a nd ca n be sol v ed only by numeri c al met hod s.    0 ) h   cos cos 1 ( ' ) c s sin cosh ( ' ) cosh s s   (cos '   cos cosh 1 4 2 4 3 3 L m I m os inh mL I m in inh mL m t t   (45 )     t I  is  Mome nt  of ine r tia to t he  cent roid,  all fre quen cie s  of  every  m ode  ca n b e   get by  solve s  the ab ove equatio n.  Similarly, accordin g to equ ation,    ) ( ) ( ) ( 2 ) ( 2 2 2 2 2 t N t dt t d dt t d r r r r r r r                                                                                   (46)    dx t t x w L x m m x t N b L r r 2 2 0 ) , ( )] ( ' [ ) ( ) (                                                                              (47)    The re sp on se  of the lumped mass on th end of the cantilever is  sh own a s  bel ow.    1 ) ( 0 ) ( sin ) ( ) ( ) , ( r rd t t r rd n rel d t e t N x t x w r r                                                                         (48)      4 .  D i f f e r e n ce o f  T w o M o de ls   Spring -vibrator mod e l is  suppo se d to b e  si ngl e deg ree free dom  system; actual ly, it is   aco n tinuo us  syste. If the singl e deg re e freed om m odel is  used,  the error i s   inevitable. Th us,  compare them will correct  the system theoreti c ally.          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.