悬臂梁压电系统性能分析与应用研究（英文）

基于压电效应,设计了一种包含悬臂梁、压电片、磁铁和驱动马达的新型压电系统,通过对其发电性能的优化分析,将该系统应用于自行车警示灯装置中,并作为自主供电系统。首先利用ANSYS对压电悬臂梁进行结构应力和动力学分析,探讨尺寸变化对发电性能的影响,进一步利用圆盘的转动和磁力的作用使压电悬臂梁弯曲变形并增加其振幅,研究了磁铁不同间距、马达转速对输出电压的影响,并进行了电路分析实验。结果表明:将该压电系统装配在自行车上,车轮转速240 r/min,磁铁间距为15 mm时,可输出4.42 V电压,LED灯能保持稳定点亮状态,作为自行车夜间警示灯使用具有较好的效果。     

双激励压电悬臂梁的力电响应分析

压电能量收集器因其结构简单、能量密度高、不受电磁干扰、能够在较低的频率收集振动能等优点,在机械、电子和航空航天等领域具有良好的应用前景。针对提高压电振动能量收集器发电效率的动力学设计,旨在研究双激励环境下压电悬臂梁的力电响应特性。根据Euler-Bernoulli梁理论、压电材料本构关系以及克希霍夫定律,建立双激励压电悬臂梁的机电耦合动力学模型。在此基础上,应用Galerkin法与模态叠加原理推导压电悬臂梁的力电响应表达式,建立根部应变与输出电压的关系模型。测试不同参数下单/双激励压电悬臂梁的力电响应特性,验证理论推导的合理性。最后,分析相位对双激励下压电悬臂梁输出电压的影响。结果表明：压电悬臂梁在双激励下的应变幅频响应变化规律与电压响应规律基本吻合;双激励下压电悬臂梁的力电响应曲线均呈现先增大,在接近共振频率达到极值时减小的变化趋势;激励幅值的增大导致压电悬臂梁的刚度和共振频率降低,试验测得的压电悬臂梁最大频率降为1.5 Hz;调节2种激励信号的相位,会影响输出电压响应,而且在一个周期内呈先减小后增大的趋势。     

并联结构d_(15)模式PZT-51悬臂梁的俘能性能

利用高剪切压电系数,设计并制作并联结构d15模式PZT-51悬臂梁装置,测量其在不同负载电阻下输出峰-峰值电压和输出功率随频率变化的关系以及不同负载电阻下共振瞬时输出电压和振动激励电压与输出峰-峰值电压关系。当频率为96 Hz、负载电阻为100 k?时,该PZT-51悬臂梁装置的输出峰-峰值电压最大值为1.96 V,输出功率达到最大为19.21μW。随着振动激励电压的增大,并联结构d15模式PZT-51悬臂梁装置的输出峰-峰值电压随之增大,并联结构d15模式PZT-51悬臂梁俘能特性的研究可为设计d15模式压电俘能器提供指导。     

悬臂梁基板对压电纤维复合物驱动性能的影响

压电纤维复合物在驱动、传感、结构健康检测等领域具有广泛应用,研究压电纤维复合物的驱动性能对于压电纤维复合物实际应用具有重要意义。通过实验研究不同驱动电压条件(峰值、频率及偏置)对压电纤维复合物悬臂梁结构顶端位移的影响,探讨悬臂梁基板材料与压电纤维复合物驱动性能的关系,基于欧拉-伯努利梁理论利用悬臂梁顶端位移计算压电纤维复合物的驱动力。结果表明:压电纤维复合物的驱动性能具有明显的迟滞性。悬臂梁顶端位移的大小与驱动电压峰的峰值呈线性关系,且其不仅与驱动电压的峰值有关,还与驱动电压的偏置、频率有关。压电纤维复合物的驱动性能随基板不同而不同,其对刚性铝板的驱动力为5.2 m N,对柔性麦拉膜的驱动力为0.2 m N。     

压电悬臂梁能量收集及减振研究

根据压电悬臂梁和悬臂梁-质量块振子的理论模型,针对船舶柴油机多振源、高频振动等特点,提出了一种集压电集能和减振降噪两种功能协调工作的多压电悬臂梁装置。运用COMSOL有限元分析软件建立了带质量块的多悬臂梁仿真模型。有限元仿真分析结果表明:压电悬臂梁结构振动频率接近柴油机固有频率时产生共振,振动由柴油机转移到悬臂梁装置,柴油机振动情况明显减少,压电片输出电压和功率分别为5. 88 V和3. 46 m W。压电悬臂梁减振降噪和压电能量收集实验得出:悬臂梁与振动源在频率18 Hz发生共振,振幅由19. 49 d B减少到2. 41 d B,压电片最大的输出电压约为5. 92V,集能效果和减振都较为明显。     

压电叠堆电静液作动器输出性能影响因素的实验研究

基于压电叠堆的电静液一体化作动器通过单向阀的整流作用将压电材料和液压系统进行整合,发挥液压系统大位移、大出力的特点和智能材料高频响、高功率密度的优势,同时避免传统液压系统复杂的分布式管路以及智能材料微位移量级太小的缺陷,设计了一种压电叠堆电静液作动器.制造了样机,介绍了其工作原理并分析了其输出流量的形成机制及影响因素.在不同条件下对样机进行输出性能实验,探究影响作动器输出性能的因素并分析具体的影响.实验结果显示:输入140 V正弦偏置电压,作动器峰值流量接近1.6 L/min,峰值频率可以达到275 Hz,带负载能力超过20 kg.     

辊轧机状态监测系统压电俘能自供电装置带宽自调整方法

研究了一种基于带宽自调整压电俘能供电的辊轧机状态监测装置,该装置能够根据不同的外界激励频率调整自身结构和改变自身固有频率,从而实现压电俘能装置在外界激励作用下发生共振。对该带宽自调整的压电俘能装置建立数学模型,并对其固有频率进行有限元仿真以及实验研究,通过理论研究分析了不同悬臂梁长度在不同外界激励作用下对压电俘能自供电装置的固有频率和发电电压的影响规律。研究结果表明:压电俘能装置的共振频率范围包含了设备工作时的主要振动频率范围,可以通过反复调节悬臂梁长度,使得供电装置的输出电压更加稳定。     

非平稳工况下液压马达转速波动机制分析

针对液压马达驱动负载系统中,马达输出轴的转速波动特性直接影响负载工作稳定性和可靠性的问题,建立典型液压马达-负载系统的动力学模型,阐明液压马达等效弹簧扭转刚度的计算方法;根据非线性动力学原理,分析等效液压弹簧扭转刚度和摩擦转矩对系统转速波动特性的影响机制,提出利用高频采样计数方法对转速波动进行测试与分析。理论分析与实验结果均表明：非线性摩擦转矩、输出容积脉动、负载转矩、油液有效体积弹性模量等因素的变化影响系统的转速波动特性。     

单腔体压电叠堆泵的结构设计与实验研究

对单腔体压电叠堆泵进行了结构设计,并制作了实验用样机.分析了阀的工作原理,在阀体选择上选用了一种简单的薄膜阀.设计了正弦信号发生器电路,将产生的正弦信号经过电压放大和功率放大后,作为该泵的电源驱动,并对该泵的工作性能进行较为系统的实验测试和研究.实验测试表明:该泵工作性能稳定,其流量的最佳工作频率约为25Hz,输出压力的最佳工作频率约为7Hz.     

基于AMESim的防突钻机液压系统动态仿真分析

分析全液压防突钻机回转液压系统的工作原理,利用AMESim软件建立其仿真模型,并进行动态仿真分析,得到了不同负载下马达进口压力变化曲线,并通过现场模拟试验验证了仿真结果的正确性;对影响系统动态特性的因素进行分析,得到不同等效黏性阻尼系数的情况下马达输出转速和进口压力的响应曲线。试验和仿真结果表明,该回转液压系统具有良好的动态特性以及很强的负载适应性。     

振动疲劳对压电悬臂板电激励响应的影响

针对压电智能结构的动力学设计,研究振动疲劳对双晶压电悬臂板电激励响应的影响。在电压激励下,测试压电悬臂板的自由端位移、致动层根部应变和传感层发电电压随振动循环次数的变化,分析激励电压幅值和电压波形对位移、应变及发电电压的影响,讨论位移响应、应变响应和发电电压响应随振动疲劳的变化情况。结果表明:在45~50 V的激励电压下,激励电压幅值越大,压电悬臂板的电致响应幅值下降越多,疲劳损伤速率越快;正弦波电压激励相较于三角波电压激励更容易导致振动疲劳;由于振动疲劳损伤的非线性,压电悬臂板疲劳损伤前后的位移?应变曲线斜率不再一致,而且疲劳损伤后共振时压电悬臂板根部应变降低。试验结果可为压电智能结构的动力学设计提供数据支撑。     

大桥风力-压电混合发电装置模拟仿真实验研究

针对此前开发的桥洞风力与压电陶瓷混合发电装置,利用ANSYS软件对桥洞处的流场进行仿真模拟,并制作模型进行桥洞处风力发电的模拟实验,并从理论上研究了压电薄膜产生电荷与尺寸、压力及压电系数的关系,利用电荷放大器检测压电膜输出的电压信号,进一步验证大桥风力-压电混合发电装置的可行性。     

基于超声波悬浮支撑的高速电机的设计

设计了利用单项支撑转子超声波悬浮的高速电机,采用压电换能器、永磁同步电机主轴,换能器辐射端面与主轴悬浮支撑帽均采用锥度相同的圆锥形结构,以保证主轴高速旋转时高度自动定心。测试结果表明:当超声波电源输出功率在500 W时,主轴转速达到20 000 r/min以上,悬浮间隙超过100 nm,大于两接触面粗糙度总和,主轴运转平稳,无接触摩擦噪声,不存在电磁耦合所导致的转矩波动和径向振动问题。     

激光冲击强化电源拓扑及控制

采用IGBT全桥逆变电路作为钕玻璃激光器本征级和放大级泵浦氙灯驱动电源主电路拓扑,结合内环为电流控制,外环为电压控制的双闭环控制电路实现了氙灯驱动电源储能电容的恒流限压充电.高压脉冲触发电路由气体放电管与高压脉冲变压器构成,可产生电压峰值高达30 kV的高压脉冲信号,能可靠击穿泵浦氙灯.设计了脉冲氙灯放电触发脉冲工作时序电路,当系统工作在调Q模式时,可以获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出.对TC4钛合金TIG焊接头进行了激光冲击强化处理,效果显著.     

多层压电陶瓷降压变压器的环境测试研究

电压增益、输出功率、效率是表征压电变压器(MPT)工作性能的3个重要参数。使用为华公司提供的径向振动型多层压电陶瓷降压变压器,测量其基本电学性能;温度对导纳圆等阻抗特性的影响;温度对其基本电学性能的影响等。综合研究降压变压器的环境温度稳定性。结果表明:压电变压器环境稳定性良好,但长时间剧烈的环境变化会对其使用性能产生一定影响,高温环境对其影响比较大。     

电子束焊机电源控制系统的设计与实现

电子束焊机高压加速稳压电源输出电压的稳定是保证电子束焊接质量的前提条件,传统的高压加速稳压电源电路结构复杂、体积大.为此设计了一种电子束焊机高压加速稳压电源控制系统,主电路采用PWM buck-boost变换器结构,其较高的升压比降低了升压变压器的升压比,与传统的同类电源相比,体积更小,电路更为简单;分析了系统主电路特性和工作过程,建立了系统电路小信号模型,采用了滞后-超前校正补偿的控制方式.结果表明,系统具有响应速度快、可靠性和控制精度高、抗干扰能力强等特点.     

等应力楼梯压电俘能装置数学建模与实验研究

为了提高楼梯压电俘能装置的发电效率，设计了一种等应力式压电俘能单元结构，建立了等应力式压电俘能单元结构的压电俘能数学模型；搭建了压电俘能性能测试实验平台，对无等应力块和有等应力块的悬臂梁压电俘能装置进行了对比实验测试，实验结果表明：当振动激励条件相同时，有等应力块的等应力压电俘能装置的集电效率高于无等应力块的悬臂梁压电俘能装置；在低频激励条件下，当激励位移不变时，两种装置的俘能超级电容电压均随激励频率的增大而减小；当激励频率不变时，两种装置的俘能超级电容电压随激励位移的增大而增大。     

感应电压反馈送丝调速系统

介绍了采用普通送丝电机条件下,基于送丝电机感应电压与其旋转速度的关系,利用送丝电机的感应电压实现送丝电机转速反馈的转速控制调速系统.送丝电机工作时,在功率驱动装置向送丝电机提供能量的前一时刻,先对送丝电机的感应电压进行脉冲采样,然后根据采样的反馈量来调整PWM的输出脉冲宽度,进而控制送丝电机的能量供给,可以准确地对送丝电机速度进行反馈及调整控制,提高了送丝系统的静态精度,改善了送丝调速系统的性能.     

腔体数量对压电装置性能的影响

为确定腔体数量对压电泵和压电液压驱动器性能的影响,制作双腔至九腔串联压电装置并进行试验。结果表明：压电泵的输出随腔体数量增加而提升。压电泵的输出流量以腔数5个为界限,输出压力以腔数6个分界。腔数低于此数时,每增加一个腔室,二者均提升显著,流量最大可提升2.42倍,压力最大可提升1.96倍;腔数高于此数时,提升幅度较低。压电液压驱动器的输出速度/输出推力以腔体数量5为界,低于此数时,驱动器输出随腔数增加提升的幅度大;腔数在5以上时,提高幅度变小,但增量基本一致。驱动器负载时,随着腔数增加,输出能力和负载能力也逐渐提高。且在260 Hz、腔体数量高于5、负载低于15 N时,二者近似成正比。