单压电片悬臂梁式压电俘能器效能分析

以线性压电理论为基础,建立了单压电片悬臂梁式压电俘能器的输出功率与压电结构的构型、驱动频率以及外载荷阻抗等物理参数之间的解析关系。数值计算结果表明,优化负载阻抗、金属层厚度以及金属层材料可有效提高俘能器的俘能效率。文中还将单压电片悬臂梁式压电俘能器与双压电片悬臂梁式压电俘能器进行了对比,理论分析结果表明当外界机械振动的频率较稳定时,前者具有更高的俘能效率。     

变截面悬臂梁压电俘能器集总参数模型修正

以变截面悬臂梁压电俘能器为研究对象,推导含端部集中质量的分布参数与集总参数模型运动方程及传递函数,并利用分布参数模型的解析解来修正集总参数模型的近似解。修正分为频率修正和幅值修正,通过分析发现,在梁自由端与固定端宽度比值较大的情况下,系统固有频率近似解的相对误差变大,根据此规律对集总参数模型固有频率进行修正,并在此基础上对相对运动传递函数引入修正系数,对幅值进行修正。通过和文献数据对比验证模型修正方法的正确性,表明其适于得到进一步应用和推广。     

多振子串联压电俘能器性能分析与测试

为实现低频、大振幅、高强度振动能量回收,提出多振子串联压电振动俘能器,在理论、试验两方面研究压电振子数量/电学连接方式、集中质量及激励频率等对其性能影响规律。结果表明,增加集中质量及压电振子数量均可有效降低俘能器基频、提高发电量/输出功率;压电振子电学串/并联时输出电压及使输出功率最大、最佳负载不同,但产生的电能及在最佳负载下的输出功率相同。制作1/2/4组压电振子构成的俘能器,进行不同集中质量、频率、压电振子电学连接方式及负载的对比试验。单组压电振子在集中质量292 g的最佳频率及发电量分别为集中质量36.5 g的0.6倍、1.92倍;4组压电振子电学并联时的最佳频率及发电量分别为单组的0.58倍、2.2倍;两组压电振子电学串/并联的最佳负载及最大输出功率分别为42.3/10.6 kΩ、232.8/202.7 mW。     

双向激励下非线性压电俘能系统的稳态响应分析EI北大核心CSCD

基于基础激励的多向性和实际环境中的低频率环境,研究了在固定基础端受到水平和垂直双向激励的附加端部质量块悬臂梁压电俘能系统的非线性稳态响应问题。通过Hamilton原理对一个附加端部质量块悬臂梁双晶片压电俘能系统模型的非线性偏微分方程进行理论推导和计算分析。假设此悬臂梁为轴向不可伸长的Euler-Bernoulli梁,此模型主要包含几何非线性和阻尼非线性。利用Galerkin法将非线性偏微分方程降阶得到双向激励作用下附加端部质量块悬臂式压电俘能系统的机电耦合运动微分方程。采用多尺度法研究压电俘能系统在其主要的一阶共振情况下的响应,获得了俘能系统的垂直位移、输出电压和输出功率的解析表达式。得到其主要一阶垂直位移幅值,输出电压幅值和输出功率幅值。分析了不同激励情况下,激励相位等对压电俘能系统俘能性能的影响。     

拱形-线形非线性磁力耦合压电俘能器建模与特性分析

为分析拱形-线形非线性磁力耦合压电俘能器振动特性,利用磁化电流法建立了磁力模型,实验测量并通过数据拟合方法获取了拱形-线形结构非线性恢复力模型,利用广义Hamilton变分原理建立系统的动力学方程.采用谐波平衡法对动力学方程进行了求解,揭示了不同激励条件、不同磁距对俘能器振动特性的影响关系并开展实验研究.结果 表明:拱...     

一种磁耦合激励的涡轮式压电气流俘能器EI北大核心CSCD

为满足气流管道监测系统的自供电需求,提出一种磁耦合激励的涡轮式压电气流俘能器。建立了俘能器的理论模型并进行了仿真分析,设计制作了样机并进行了试验测试,获得了磁铁排布、附加质量、压电振子串并联及负载电阻对其输出特性的影响规律。结果表明:在其他条件确定时,存在多个较佳气压使输出电压出现峰值,主频峰值的大小和分频的位置均与激励磁铁排布有关;通过附加质量可以调节最佳气压和输出电压峰值,采用多个不同附加质量的压电振子串联或并联可以拓宽俘能器的气压适应范围;存在不同的最佳负载使多个压电振子串联和并联时俘能器的输出功率达到最大,最佳负载及其所对应的最大输出功率分别为(40 kΩ,41 mW),(15 kΩ,50 mW)。     

悬臂梁压电振动能采集器的集总参数模型和实验验证

压电振动能采集器是无线传感节点的一种理想电源,近年来受到广泛关注．考虑质量块和逆压电效应影响,建立了在基础激励作用下的悬臂梁压电振动能采集器的集总参数运动微分方程,得到了采集器固有频率的解析表达式．引入了2个反映压电层连接方式的常数,建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的悬臂梁压电振动能采集器均适用的耦合电路方程．求解以上方程,得到了简谐基础激励下的输出电压表达式．实验结果表明,固有频率和输出电压表达式的相对误差分别小于10％和20％．     

磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器发电性能试验研究EI北大核心CSCD

针对线性的压电振动俘能器俘能频带过窄,输出较低等问题,提出了一种磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器。俘能器由带永磁铁的I型压电梁和L型压电梁组成,可通过调节两永磁铁间的水平距离,得到不同的非线性磁力耦合效应。试验结果表明:存在最优电阻使压电俘能系统的输出功率最大;对比无磁力系统,磁力耦合的I-L组合压电梁俘能器共振频率发生了明显的偏移:I型压电梁向左偏移,L型压电梁向右偏移,拓宽了系统的俘能频带;当激励加速度为0.2 g水平距离为20 mm、激振频率为18.4 Hz时,俘能器最大可得到1.2 mW的输出功率。     

支座激励下附加弹簧保护装置悬索的非线性动力分析

索网幕墙常支承于两相邻结构,动力作用将激起相邻结构产生相对变形,其作为支座激励将引起索网产生约束次内力,进而导致索网幕墙失效。在索端附加弹簧保护装置,利用弹簧装置吸收支座相对变形,可以有效减小支座运动对索网幕墙的影响。建立支座激励下附加弹簧保护装置悬索振动的动力模型,引入边界条件,求解微分方程得到频率的特征方程和振型方程,并利用多尺度法求得简谐支座激励下主共振响应的近似解和幅频响应方程。分析了附加弹簧与悬索刚度比对不同垂度悬索前三阶频率、振型和幅频响应的影响规律。该模型可有助于合理选择附加弹簧与悬索刚度比,研究表明附加弹簧保护装置可同时降低悬索最大变形和最大索力响应,从而为相邻结构间索网幕墙的减震设计提供一定参考。     

多激励作用下的矩形薄板横向非线性振动分析

利用增量谐波平衡法(Incremental Harmonic Balance method,IHB法)研究在四边简支条件下,薄板在两个横向简谐激励作用下的非线性振动问题。在给出薄板振动微分方程的基础上,利用Galerkin法导出相应的Duffing型非线性强迫振动方程;引入多时间尺度变量τ_i=ω_it(i=1,2,3,…,ms),其中ωi是不可公约的非线性系统响应频率,推导了增量谐波平衡法的计算过程。作为算例,给出了不同条件下,由IHB法得到的系统运动的位移响应图、频谱图、相平面图和Poincaré图,得到了板在多激励作用下的准周期运动特性;同时,将IHB法结果与数值方法得到的结果进行对比,两者相吻合,进一步验证了该方法的精确性与有效性。     

多点激励下绝对位移直接求解算法的误差频域分析

多点激励地震响应分析时,相对运动法将结构内部节点绝对位移分解成拟静位移和动态位移两部分分别进行求解,而绝对位移直接求解法直接对内部节点绝对位移进行求解,在两种求解算法中,阻尼分别假定与内部结点相对速度、绝对速度成比例。两种算法的阻尼假定不同可能会引起计算结果误差,在瑞利阻尼、单元阻尼模型下,采用随机振动方法对两种算法计算结果误差在频域内进行了理论分析,指出了瑞利阻尼模型下两种算法求得的结构动态内力功率谱密度误差主要受结构阻尼比、激励频率与结构基频率比值影响,但单元阻尼模型下两种算法得出的动态内力功率谱密度不存在误差。最后从概率意义上指出：瑞利阻尼模型下,两种算法得出的结构内力响应方差的误差随结构阻尼比的增大而增大,当结构阻尼比不大于5%时,两种算法计算结果误差很小。     

滞后非线性车辆悬架系统多频激励下的安全与复杂性分析

结合顺行平面Hamilton系统周期-能量关系和KAM理论,研究滞后非线性单自由度1/4车辆悬架系统多频激励下的受扰振动问题,给出两种初值条件下系统受扰固有周期运动的理论解析,证明了系统存在安全的拟周期状态。借助Melnikov函数讨论了系统产生混沌的可能性及成因,分别对系统拟周期及混沌状态进行了数值模拟。为悬架系统的参数识别、稳定区域分析及优化设计提供理论依据。     

非平稳激励下绝对位移直接求解非线性结构的时频分析EI北大核心CSCD

强震作用下地震动能量的时-频演变特性对迟滞非线性的结构有着极大影响,然而通用有限元软件现有的计算模块进行频域分析时不能对非线性结构输入解耦的EPSD矩阵,限制了随机振动理论对大型复杂结构的仿真计算。将绝对位移直接求解的虚拟激励法引入多维多点的非线性动力方程,通过APDL的外部程序调用接口对非平稳地震动EPSD矩阵进行解耦与降维处理,并转化为独立于时间变量的四维均匀调制激励矩阵,实现对非线性结构精确高效的非平稳激励动态输入与随机动力响应的计算求解。最后以一座中承式三跨钢管混凝土系杆拱桥为例,计算拱肋、拱脚和桥面系响应的时变功率谱及方差。结果表明,绝对位移直接求解的激励输入方式很好地模拟了非线性结构体系所带来的时滞现象,为通用有限元软件实现非线性结构多维多点非平稳激励随机响应的求解与分析提供了可行性依据。     

考虑多间隙关节和不确定参数机构的非线性动力学分析

以典型四杆机构为研究对象,利用蒙特卡洛算法模拟不确定几何参数与间隙大小的生成,建立含多间隙关节和不确定参数的四杆机构非线性动力学方程,提出一种考虑多间隙关节和不确定参数机构的非线性动力学分析方法。首先,研究了不同情况下间隙关节和不确定参数对机构运动精度的影响,并量化机构运动误差;然后,重点探究了不确定参数、曲柄转速、间隙尺寸和间隙位置对四杆机构分岔与混沌现象的影响。分析结果表明：由于间隙关节和不确定参数的影响,导致了机构运动精度的降低;同时,利用分岔图证明了系统分岔和混沌行为对曲柄转速、间隙尺寸的依赖和敏感性;曲柄转速与间隙尺寸的变化,是导致机构出现分岔与混沌行为的主要因素,不确定几何参数对机构整体分岔现象的影响有限。     

1∶1内共振条件下受基础激励屈曲梁的非线性振动和分岔分析

研究两端固定屈曲梁这种同时含有2,3次非线性项的系统受基础简谐激励作用下的非线性振动响应及分岔演化过程。对屈曲梁的运动微分方程,利用Galerkin方法分离时间和空间变量,应用增量谐波平衡(IHB)法自动追踪屈曲梁的非线性振动响应的周期解和倍周期解,并用Floquet理论分析其解的稳定性。研究表明屈曲梁对称模态的固有频率随屈曲程度而变化,反对称模态的固有频率保持不变。研究发现基础简谐激励作用下,不同屈曲程度时存在两种截然不同的非线性现象:1)在非共振时,反对称模态未能被激发,系统经过发生倍周期分岔通向混沌运动;2)在1∶1内共振条件下,反对称模态在一定的频率区间里会被激发,系统发生Hopf分岔导致具有等间距边频带的准周期运动,最后至混沌运动。利用IHB法得到结果与用Runge-Kutta法得到的数值结果一致。     

基于灰色关联分析和响应面法的复合材料缠绕成型多目标工艺参数优化

针对复合材料预浸带缠绕过程中制品的残余应力、孔隙率最小化和层间剪切强度（ILSS）最大化的多目标优化问题,采用Box-Behnken Design （BBD）原理设计四因素三水平的T300/环氧树脂预浸带缠绕实验;基于灰色关联分析（GRA）将多目标优化问题转化为单目标优化问题,利用主成分分析（PCA）法确定残余应力、孔隙率和ILSS对灰色关联度（GRG）的影响权重;通过对实验数据的回归分析,建立GRG与主要缠绕工艺参数（缠绕温度、张力、压辊压力和缠绕速度）的二阶预测模型;分析了各工艺参数对残余应力、孔隙率、ILSS和GRG的影响规律,确定缠绕工艺参数优化方案;利用响应面法（RSM）求解工艺参数优化问题并进行复合材料预浸带缠绕实验。结果表明:该优化方法获得的最优工艺参数组合可以有效改善残余应力、孔隙率和ILSS,提高预浸带缠绕制品的性能。