强化现象启发的随机振动能量收集器优化设计

为了使宽带振动能量收集器件的平均输出功率最大,以压电型随机振动能量收集器件为研究对象,系统讨论优化设计问题.通过建立器件随机响应与输出功率统计量的解析表达式,证实了平均输出功率的局部强化现象.讨论给定激励点位置时,压电片布置位置和压电片尺寸的优化,讨论最优尺寸随激励作用点和激励带宽的变化关系.研究表明:激励作用点及对称位置是布置压电片的较好位置,压电片的最优、次优、最差、次差位置相隔很近;为了得到最大的输出功率,压电片尺寸应略大于最优尺寸.     

高速撞击压电陶瓷过程中储能电容对电输出特性的影响研究

为了揭示PZT-5H压电陶瓷电源复合结构在高速撞击载荷下电源外部电路中储能电容对输入电压、输入能量的影响规律,利用自行构建的一级轻气炮加载系统、电源外部电路及电输出测试系统,分别开展了长径比为1∶1的柱状弹丸在相近碰撞速度、不同储能电容容量条件下高速撞击单片和多片压电陶瓷复合结构实验。实验结果表明:储能电容越大,压电陶瓷输出电压峰值越小、储能电容充电电压越小,存储能量值越小;随着储能电容量与压电电容量比率的增大,压电陶瓷的能量转换率减小;此外,储能电容的存储能量随压电陶瓷层数的增加而增大;压电陶瓷的电容与储能电容的匹配对储能电容的输入电压和储能电容的输入能量有较大影响。     

风力场中基于钝体绕流的压电俘能研究

为研究风力场中基于钝体绕流的压电俘能器的性能,本文基于ANSYS Workbench仿真平台,建立流固压电三场耦合模型,对置于圆柱钝体的柔性压电片在风力场中的发电情况进行仿真分析。分析结果表明,在卡门涡街的作用下,柔性压电片因两侧压力不同而产生振动,电压的输出随时间的变化按照正弦曲线变化,最大电压和最小电压随时间变化的曲线对称,柔性压电片等效应力的幅值和输出电压峰值随流体流速和阻流钝体直径的变化而变化。该研究探究了压电浮能器的性能,对压电俘能器给无线传感器供能具有实际意义。     

系统参数对三稳态压电俘能器性能影响分析

基于 Euler-Bernoulli 梁假设,通过广义 Hamilton 变分原理建立了三稳态压电悬臂梁俘能系统的分布参数型力电耦合方程,利用多尺度法得到方程的解析解。重点研究了初始起振位置以及材料参数等对系统动力响应的影响。结果表明：选择合适的初始起振位置可使系统更容易进入高能轨道,产生大幅阱间运动;通过合理的调节磁铁间距可提高系统的俘能效果。阱间运动的输出功率和最优负载阻抗随着压电常数的增大而增大,随着介电常数的增大而减小;优化系统参数可提高工作频率范围和输出功率。     

完整基桩瞬态激振响应分析

从桩的阻尼波动方程入手,推导出完整基桩的瞬态激振响应模型.根据此模型编制了Visual Basic 计算程序对瞬态激振的速度响应曲线进行分析,定性的得出了桩长、桩径、弹性波速、桩端土的刚度等参数对速度反应曲线的影响规律:随桩长 L的增大,桩的谐振频率减小,速度响应曲线的振幅减小;桩径d增加,桩的谐振频率减小,同时速度响应曲线的振幅也减小;弹性波速增大,桩的谐振频率增大,速度响应曲线的振幅不变;桩端土刚度增大,桩的谐振频率增大,速度响应曲线的振幅减小.     

悬臂梁式压电能量收集器的建模与分析

为了更加精确的表达悬臂梁式压电能量收集器的输出特性并优化其结构参数,设计一种分布参数建模法,首先根据Rayleigh-Ritz法和Euler-Bernoulli梁理论,建立悬臂梁式压电能量收集器的分布参数模型的偏微分方程;基于压电效应,通过高斯定理与基尔霍夫定律将机械部分与电路部分耦合起来,建立起压电能量收集器的分布参数模型,求出了机械振动响应和电学响应;基于分布参数模型,对压电能量收集器施加简谐激励,利用MATLAB计算末端质量块质量、结构尺寸对输出能量的影响,并进行负载阻抗匹配;最后通过实验来验证末端质量块对输出能量的影响以及分布参数模型的正确性。     

低雷诺数中等间距串列双方柱涡激振动的数值模拟

为研究典型间距比串列双方柱的涡激振动特性及其耦合机制,对雷诺数为150、柱心间距比分别为2.0和4.0的串列双方柱涡激振动进行了数值模拟,探讨了方柱振动响应随来流折减速度的变化规律,以及周围流场的流态与其演变过程,重点分析了下游方柱的能量输入机制.两方柱在不同柱心间距比下均以横流向振动为主,柱心间距比为2.0时,均在双涡脱流态内发生“弱锁定”（即方柱在振动锁定区的振动频率锁定值远小于1.0）,其横流向最大振幅皆出现在振动锁定区内且上游方柱振幅较大;在振动锁定区内,上游方柱平均阻力系数的激增导致平均柱心间距急剧减小,扰乱了下游方柱的气动升力对振动的能量输入,导致其尾流中的旋涡极不稳定.柱心间距比为4.0时,仅下游方柱在剪切层再附流态内发生“锁定”,两方柱的横流向最大振幅均出现在振动锁定区外,但上游方柱振幅远小于下游方柱,这是由于两方柱脱落的旋涡相互融合,使得气动升力对下游方柱的能量输入增强,横流向振幅和旋涡的横流向间距随之增大,造成下游方柱的尾流模态为双涡脱流态内的平行涡街模态.此外,下游方柱的横流向振幅在剪切层再附流态内也会出现较明显的极值,其对应的尾流模态均为剪切层再附流态内的平行涡街模态.     

车载压电悬臂梁结构参数对其发电量的影响

为了研究车载环境下压电悬臂梁的结构参数变化对压电振子发电量的影响,根据压电方程建立了压电悬臂梁的等效模型,仿真分析了各结构参数对悬臂梁压电装置的固有频率和输出电压的影响规律。研究结果表明,适当增大悬臂梁自由端质量块的质量和悬臂梁的长度,减少悬臂梁的宽度和中间金属层的厚度,可使压电悬臂梁的固有频率降低,接近环境振动频率,从而使输出电压增加,提高压电装置的发电能力。     

速度作用下非线性弹性地基上矩形薄板主共振

本文基于非线性弹性地基模型及弹性理论,建立了非线性弹性地基上矩形薄板在移动车辆荷载作用下的非线性动力方程,运用Galerkin方法及多尺度法求得该系统主共振的幅频响应方程,以行车速度为调谐参数,分析阻尼系数、车辆荷载、板厚及相位差等参数对非线性弹性地基上矩形薄板在移动车辆荷载作用下主共振幅频响应的影响。结果表明:非线性弹性地基上矩形薄板在行车速度作用下主共振系统的非线性特点不明显,振幅-速度响应曲线接近对称,改变阻尼系数、车辆荷载等参数时对共振区间影响不大。在正常取值范围内,随着阻尼系数值增大振幅-速度响应曲线峰值减小;随着车辆荷载、板厚及相位差的增大振幅-速度响应曲线峰值增大。     

超声波电动机定子振动能量回收转换特性

为了向密封、恶劣等极端环境中工作的微型机器人提供驱动力矩和电能,根据行波型超声波电机定子孤极频率反馈跟踪原理,研制能量回馈型超声波电机.与传统超声波电机相比,该电机不仅具有驱动功能,还具有将定子振动能量回收并转换成电能的功能.根据能量回馈型超声波电机驱动原理改进了超声波电动机压电陶瓷的极化分区模式,将超声波电机定子压电陶瓷极化分成3个区,即：激振区、能量采集区和传感区（孤极）.利用定子能量采集区压电陶瓷的正压电效应采集回收超声波电动机定子的机械振动能量.根据铁摩辛柯梁理论和压电本构方程建立超声波电动机定子振动能量采集回收的理论分析模型,研究能量采集区压电陶瓷负载阻抗的匹配问题.利用该模型仿真分析了电机激励频率、激振电压、外接负载电阻等对能量采集区压电陶瓷输出电压、输出电流和输出功率的影响规律,通过实验验证了仿真结果的正确性.     

纵振式超声波无线电能传输装置仿真与实验

利用ANSYS有限元仿真软件,分析了纵振式超声波无线电能传输装置模型的纵振模态及其共振频率。加工了实验样机,样机的能量发射端采用锥形结构以增强对于空气激振的输出效果。搭建了实验测试系统,对发射与接收端的距离、角度及激振频率等参数进行调节并采集了实验数据。实验结果表明,当增大接收与发射端距离时能量传输效果减弱,装置对心时能量传输具有最佳效果。在最佳传输频率29.88kHz下的能量传递效率可达24%。     

基于PVDF的压电悬臂梁非线性动力学分析

针对传统非线性悬臂梁压电俘能器所采用的PZT压电材料具有一定脆性而导致在大变形过程中容易脆裂的问题,采用了塑性较好的PVDF作为压电能量采集器的压电材料,利用二维非线性欧拉-伯努利梁理论和哈密尔顿变分原理建立系统的非线性动力学方程。采用谐波平衡法给出了谐波响应的解析解,数值分析了激励频率和激励幅值等对系统非线性振动特性的影响。通过电路仿真进一步分析系统在不同的非线性振动状态下的不同电路回收特性。结果表明:大幅周期运动可以极大地提高系统的能量收集频带和能量收集效率,而混沌状态下产生的交流电流无法被稳定地整流并收集。     

压电振动能量采集器的性能分析与功率优化

为了预测压电振动能量采集器的输出特性,优化输出功率,以压电双晶片串联型振动能量采集器为研究对象,综合考虑结构与电路耦合因素,利用有限元法和ANSYS软件建立压电振动能量采集器的有限元机电耦合动力学模型和网格实体模型.分析在外力激振条件下负载电阻对压电振动能量采集器的振动特性和电输出特性的影响,得到不同负载电阻下压电能量采集器的振动特性和电输出特性曲线.通过调节负载电阻使之与能量采集器的阻抗匹配,实现了对能量采集器输出功率的优化,得到了优化的负载电阻和输出功率.研究结果表明,采用压电能量采集器能够输出大的开路电压、大的短路电流,优化后的开路和短路谐振时的最大输出功率分别达到57.81和55.12 W.     

压电阀电-机械转换器结构设计分析

为提高现有喷嘴挡板型电液伺服阀的静、动态性能,采用双压电晶片及铍青铜制作出喷嘴挡板式压电阀的电-机械转换器.针对压电层和金属层的宽度、长度和厚度等结构参数对电-机械转换器静、动态性能的影响进行了理论、仿真及实验研究.结果表明：宽度对静、动态性能没有影响,输出位移同长度的平方成正比.长度增大时,幅频宽和基频减小;金属层厚度或压电层厚度增大时,输出位移减小,幅频宽和基频增大.最后对电-机械转换器的振型进行了仿真分析,结果表明满足设计要求.     

基于波纹梁的两自由度低频振动能量收集装置

为改善压电式振动能量收集装置固有频率高、能量收集效率低等问题,设计了一种基于波纹梁式压电振子的两自由度振动能量收集装置,并通过理论建模和数值仿真分析其能量收集特性。分析结果表明:与传统的单自由度和两自由度压电振子相比,含有波纹梁的压电振子的固有频率最低,且前五阶固有频率均为0~60Hz;其中,第四阶固有频率为45.92 Hz,比单自由度压电振子低419.9Hz,比传统两自由度压电振子低55.1Hz。同时,在相同条件下波纹梁式两自由度压电振子输出的电压最大,可达到28V。     

基于激光干涉测振技术的压电陶瓷蜂鸣片质量监控

利用激光干涉技术和干涉条纹大小数拟合计数软件处理方法,研究测量低频微小振动,开展压电陶瓷蜂鸣片质量监控研究。介绍了基于激光干涉技术的振动测量研究方法,分析了压电陶瓷蜂鸣片在正弦电压驱动下,不同初始干涉光程差、不同振幅的振动产生的干涉信号及干涉条纹大小数拟合计数软件处理方法;建立了迈克尔逊干涉测振系统,运用干涉条纹大小数拟合计数软件方法,对不同正弦电压驱动的压电陶瓷蜂鸣片微小振动进行了测量。研究表明,基于大小数拟合计数软件方法的激光干涉测振技术可以有效测量微小振动,为压电陶瓷蜂鸣片质量监控提供一种有效手段。     

芯片键合纵弯复合超声换能器的设计与试验

为了解决当前采用一维纵向超声加载模式进行芯片键合时造成结合面不充分的问题,设计纵弯复合超声能量加载模式的压电超声换能器,实现轴向纵振和水平弯振复合的超声振动代替传统单一的轴向振动. 采用ANSYS软件,对换能器有限元模型进行模态分析和谐响应分析,得到换能器纵振和弯振模态的谐振频率及振型. 通过调节换能器结构尺寸,实现纵振与弯振模态的简并. 采用阻抗分析仪对样机的频率和阻抗进行测试,使用激光多普勒测振仪测试换能器的纵振与弯振幅值,测试结果与有限元仿真计算结果一致,发现纵向与弯曲振幅均随着驱动电压的增加呈近似线性上升趋势, 证明设计的压电换能器实现了纵弯复合振动.     

压电薄板动力有限元及主动控制

采用一种考虑结点电势自由度的四边形压电薄板单元，利用Hamilton变分原理，基于压电材料的本构关系建立了压电结构动力有限元模型，推导了动力学有限元方程．利用负速度反馈控制率，从振动的多输入多输出主动控制的角度出发研究了压电结构的振动控制问题，比较了不同反馈增益下的抑振效果．     

基于极点配置参数优化的压电分流阻尼抑振研究

从结构的力平衡方程、压电元件的电荷平衡方程出发,结合压电分流电路的电压平衡关系,建立了包含RL串联压电分流电路的机电耦合系统的数学模型,并进一步推导出系统的传递函数。以系统自由振动响应的衰减系数最大化为优化目标,采用极点配置参数优化方法对传递函数中的参数进行优化分析,求解出压电分流电路中电感元件和电阻元件的优化值。将分析结果应用于一柔性悬臂梁结构的振动响应抑制实验取得了良好的抑振效果,验证了用极点配置参数优化法进行压电分流阻尼振动控制系统设计的有效性。     

复合梯形压电悬臂梁能量收集器的特性研究

为了拓宽压电能量收集器的工作频带宽度并改善低幅值激励频率条件下的能量收集效率,本文将梯形悬臂梁应用到多悬臂梁压电能量收集器结构设计当中。依据梯形悬臂梁的尺寸及末端附加质量,通过双压电晶片与弹性基梁的等效化处理,计算和推导了系统的共振频率和传递函数,从而建立单梯形悬臂梁横向振动的数学模型,在此基础上分析推导了复合梯形压电能量收集系统模型。研究结果表明:复合梯形悬臂梁结构有效地拓宽了工作频带,更容易实现与环境振动频率的匹配共振从而提高发电效率。本文研究为优化多悬臂梁能量收集器的设计和应用具有重要的借鉴意义。