This paper is concerned with the derivation of exact solutions for the responses of piezoelectric bimorph energy harvesters composed of laminated composite beam substrates. An electro-elastic finite element model is also developed based on the layer wise first order shear deformation theory for computing the responses of the bimorphs under general boundary and loading conditions. Both series and parallel connections of the piezoelectric layers of the bimorphs are considered. The responses computed by the finite element model excellently match with that obtained by the exact solutions. The induced electric potential in case of the bimorph in which the piezoelectric layers are connected in series is significantly larger than that in case of the bimorph with piezoelectric layers connected in parallel. If the thickness of the piezoelectric layers and the substrate remain same, the piezoelectric bimorph composed of antisymmetric angle-ply substrate beam is capable of inducing more electric potential than the bimorphs with cross-ply substrate beams. Also, if the bimorph is cantilever, it induces significantly more electric potential than when it is simply supported. Optimum thickness of the piezoelectric layers of the bimorph and unimorph harvesters has been determined. Most importantly, it is found that the bimorph with its piezoelectric layers connected in series performs significantly better than the unimorph if the mass and volume of the piezoelectric layers and the substrates remain same. The results presented here may serve as the benchmark results for verifying experimental and numerical models.

本文涉及由叠层复合梁基板组成的压电双压电晶片能量收集器的响应的精确解的推导。基于层状一阶剪切变形理论，还建立了电弹性有限元模型，用于计算双晶型在一般边界和载荷条件下的响应。考虑了双压电晶片的压电层的串联和并联连接。有限元模型计算出的响应与精确解获得的响应非常匹配。在其中压电层串联连接的双压电晶片的情况下的感应电势明显大于在其中压电层并联连接的双压电晶片的情况下的感应电势。如果压电层和基板的厚度保持相同，则由具有反对称角层的基板束构成的压电双压电晶片与具有交叉层的基板束的双压电晶片相比，能够感应出更多的电势。同样，如果双压电晶片是悬臂的，则与简单支撑时相比，它会感应出更多的电势。已经确定了双压电晶片和单压电晶片收集器的压电层的最佳厚度。最重要的是，发现如果压电层和基板的质量和体积保持相同，则其压电层串联连接的双压电晶片的性能明显优于单压电晶片。此处提供的结果可以用作验证实验模型和数值模型的基准结果。由反对称角层基片束构成的压电双压电晶片比起交叉层片基片梁的双压电晶片，能够感应出更多的电势。同样，如果双压电晶片是悬臂的，则与简单支撑时相比，它会感应出更多的电势。已经确定了双压电晶片和单压电晶片收集器的压电层的最佳厚度。最重要的是，发现如果压电层和基板的质量和体积保持相同，则其压电层串联连接的双压电晶片的性能明显优于单压电晶片。此处提供的结果可以用作验证实验模型和数值模型的基准结果。由反对称角层基片束构成的压电双压电晶片比起交叉层片基片梁的双压电晶片，能够感应出更多的电势。同样，如果双压电晶片是悬臂的，则与简单支撑时相比，它会感应出更多的电势。已经确定了双压电晶片和单压电晶片收集器的压电层的最佳厚度。最重要的是，发现如果压电层和基板的质量和体积保持相同，则其压电层串联连接的双压电晶片的性能明显优于单压电晶片。此处提供的结果可以用作验证实验模型和数值模型的基准结果。与简单支撑时相比，它产生的电势要大得多。已经确定了双压电晶片和单压电晶片收集器的压电层的最佳厚度。最重要的是，发现如果压电层和基板的质量和体积保持相同，则其压电层串联连接的双压电晶片的性能明显优于单压电晶片。此处提供的结果可以用作验证实验模型和数值模型的基准结果。与简单支撑时相比，它产生的电势要大得多。已经确定了双压电晶片和单压电晶片收集器的压电层的最佳厚度。最重要的是，发现如果压电层和基板的质量和体积保持相同，则其压电层串联连接的双压电晶片的性能明显优于单压电晶片。此处提供的结果可以用作验证实验模型和数值模型的基准结果。已经发现，如果压电层和基板的质量和体积保持相同，则其压电层串联连接的双压电晶片的性能明显优于单压电晶片。此处提供的结果可以用作验证实验模型和数值模型的基准结果。已经发现，如果压电层和基板的质量和体积保持相同，则其压电层串联连接的双压电晶片的性能明显优于单压电晶片。此处提供的结果可以用作验证实验模型和数值模型的基准结果。