The article focuses on a modeling and subsequent optimization of a novel layered architecture of the vibration piezoceramic energy harvester composed of ZrO2/Al2O3/BaTiO3 layers and containing thermal residual stresses. The developed analytical/numerical model allows to determine the complete electromechanical response and the apparent fracture toughness of the multilayer vibration energy harvester, upon consideration of thermal residual stresses and time-harmonic kinematic excitation. The derived model uses the Euler–Bernoulli beam theory, Hamilton’s variational principle, and a classical laminate theory to determine the first natural frequency, steady-state electromechanical response of the beam upon harmonic vibrations, and also the mechanical stresses within particular layers of the harvester. The laminate apparent fracture toughness is computed by means of the weight function approach. A crucial point is the further optimization of the layered architecture from both the electromechanical response and the fracture resistance point of view. Maximal allowable excitation acceleration of the harvester upon which the piezoelectric layer will not fail is determined. It makes possible to better use the harvester’s capabilities in a given application and simultaneously guarantee its safe operation. Outputs of the derived analytical model were validated with finite element method simulations and available experimental results, and a good agreement between all approaches was obtained.

中文翻译：

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具有残余应力的多层压电能量采集器的机电响应和抗断裂性建模

本文重点介绍振动压电陶瓷能量收集器的新型分层结构的建模和后续优化，该结构由 ZrO2/Al2O3/BaTiO3 层组成并包含热残余应力。考虑到热残余应力和时谐运动激发，开发的分析/数值模型允许确定多层振动能量收集器的完整机电响应和表观断裂韧性。派生模型使用 Euler-Bernoulli 梁理论、Hamilton 变分原理和经典层压板理论来确定第一个自然频率、梁在谐波振动下的稳态机电响应，以及收割机特定层内的机械应力. 层压板表观断裂韧性是通过权函数方法计算的。一个关键点是从机电响应和抗断裂性的角度进一步优化分层结构。确定压电层不会失效的采集器的最大允许激励加速度。它可以在给定的应用中更好地利用收割机的功能，同时保证其安全操作。导出的分析模型的输出通过有限元方法模拟和可用的实验结果进行了验证，并且在所有方法之间获得了良好的一致性。一个关键点是从机电响应和抗断裂性的角度进一步优化分层结构。确定压电层不会失效的采集器的最大允许激励加速度。它可以在给定的应用中更好地利用收割机的功能，同时保证其安全操作。导出的分析模型的输出通过有限元方法模拟和可用的实验结果进行了验证，并且在所有方法之间获得了良好的一致性。一个关键点是从机电响应和抗断裂性的角度进一步优化分层结构。确定压电层不会失效的采集器的最大允许激励加速度。它可以在给定的应用中更好地利用收割机的功能，同时保证其安全操作。导出的分析模型的输出通过有限元方法模拟和可用的实验结果进行了验证，并且在所有方法之间获得了良好的一致性。它可以在给定的应用中更好地利用收割机的功能，同时保证其安全操作。导出的分析模型的输出通过有限元方法模拟和可用的实验结果进行了验证，并且在所有方法之间获得了良好的一致性。它可以在给定的应用中更好地利用收割机的功能，同时保证其安全操作。导出的分析模型的输出通过有限元方法模拟和可用的实验结果进行了验证，并且在所有方法之间获得了良好的一致性。