Multistable Structures for Broad Bandwidth Vibration-based Energy Harvesters: An Analytical Design Investigation

The field of vibrational energy harvesting aims to transform ambient mechanical energy into electrical energy. For example, this energy can be used to operate autonomous sensor units for structural health monitoring or to supply low power electronic devices. Robust energy harvesters that allow to harvest sufficient energy over a broad frequency range are crucial for these applications. One strategy to increase the bandwidth of energy harvesters and, thus, the robustness is the exploitation of multistable structures. This is due to their feature of showing large amplitude oscillations that result from snap-through actions (inter-well oscillations) in a significant frequency range.

The aim of this thesis is to analyze different multistable energy harvester designs in order to optimize their performance and formulate design criteria. The considered designs are a bistable electromechanical beam, a bistable electromechanical composite plate and a newly proposed design of a multistable plate with four equilibria. Firstly, analytical models for the multistable energy harvesters are presented in order to assess their broad bandwidth harvesting capabilities. Analytical methods are applied to these models to investigate the underlying bifurcation behavior. Based on the analytical investigations, design criteria are formulated to describe the favorable harvesting domain. Numerical simulations are performed to supplement the analytical investigations. The differences of the considered structures are highlighted concerning robust and efficient harvesting by means of numerical simulations for different types of excitation. Experiments are carried out to complement the analytical and numerical analysis. The experiments establish the transferability of the numerical and analytical findings to real-world applications.

Die Hauptaufgabe von schwingungsbasiertem Energy Harvesting besteht darin, mechanische Umgebungsenergie in Form von Schwingungen in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln. Die gewonnene Energie kann beispielsweise dazu verwendet werden, um energieautarke Sensoreinheiten für Structural Health Monitoring zu realisieren oder um (mobile) energiearme Geräte zu betreiben. Für dieses Anwendungsfeld sind Energy Harvester entscheidend, die in einem breiten Frequenzbereich ausreichend Energie ernten können. Eine Möglichkeit, Energy Harvester mit einer großen Bandweite zu entwerfen, besteht in der Ausnutzung von multistabilen Strukturen. Diese Strukturen weisen Schwingungen großer Amplitude in einem signifikanten Frequenzbereich auf, die von Durchschlägen zwischen den Gleichgewichtslagen resultieren.

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, verschiedene multistabile Energy Harvester Designs zu analysieren, um die Leistungsfähigkeit zu optimieren und Auslegungskriterien zu formulieren. Die betrachteten Designs sind ein bistabiler elektromechanischer Balken, eine bistabile elektromechanische Composite-Platte sowie ein neu vorgeschlagenes Konzept einer multistabilen Platte mit vier Gleichgewichtslagen. Zunächst werden die analytischen Modelle vorgestellt, um die Breitband-Fähigkeit der Designs zu beurteilen. Analytische Methoden werden anwendet, um das zugrunde liegende Bifurkationsverhalten zu untersuchen. Basierend auf diesen analytischen Untersuchungen werden Auslegungskriterien formuliert, die es erlauben geeignete Betriebsbereiche einzuschränken. Numerische Simulationen ergänzen dabei die analytischen Untersuchungen. Die Unterschiede der untersuchten Strukturen bezüglich robusten und effizienten Energy Harvesting werden anhand von numerischen Simulationen für unterschiedliche Anregungsarten hervorgehoben. Die Übertragbarkeit, der analytisch und numerisch gewonnen Erkenntnisse auf realistische Anwendungen, wird experimentell bestätigt.