线形-拱形组合梁式压电俘能器振动特性研究

为揭示线形?拱形组合梁式双稳态压电俘能器系统参数对其动力学响应特性影响规律,利用磁化电流法及广义Hamilton 变分原理,分别建立压电俘能器非线性磁力模型及系统分布式参数模型;采用谐波平衡法对俘能系统响应特性进行分析,讨论不同磁铁间距、激励幅值、负载阻抗等参数对系统幅频响应及输出功率的影响规律,并进行实验验证。研究结果表明：组合梁式双稳态压电俘能系统幅频响应存在跳跃、多解现象,通过改变磁铁间距及激励幅值可调节不稳定区域范围;外界激振频率是影响系统最优阻抗的关键因素,磁铁间距及激励幅值对其影响不显著。当系统磁铁间距d 取16mm,激励频率f取16.2Hz,最优阻抗R 取5.6MΩ,激励幅值A 取1.3g时,系统最大输出功率约为43.4μW。研究结果为双稳态压电俘能器优化设计及工程化应用提供理论依据。     

新型双稳态压电振动俘能系统的理论建模与实验研究

针对线性压电俘能系统的共振频带窄、俘能方向单一、发电效率低等问题,设计了一种双稳态磁力耦合多悬臂梁俘能结构。利用广义Hamilton变分原理建立了系统分布式力-电-磁耦合模型,结合数值计算和实验验证方法揭示了磁铁间距、外界振动激励条件对压电俘能系统响应特性的影响规律。研究结果表明:在合适的磁距和外界振动激励条件下,系统的输出电压可达18V,是线性压电振动俘能系统的3.5倍,有效工作频带是线性压电振动俘能系统的3.1倍,说明双稳态压电振动俘能系统具有明显拓宽有效工作频带和提升发电效率的能力,为压电俘能系统工程化应用提供了理论依据。     

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。     

基于磁性液体的磁浮式振动俘能器系统建模与输出性能分析

针对现有振动俘能器输出功率低、工作频带范围小等问题,提出了一种基于磁性液体的非线性磁浮式振动俘能器新型结构。提出新型俘能器的结构形式,分析其工作原理,建立磁偶极子非线性力学模型,对比仿真结果与试验数据,验证其准确性;分析磁性液体的二阶浮力和黏性阻尼,建立其数学模型,运用多尺度变换方法求解俘能器动力学方程的近似解,进而获得输出性能响应模型;分析三类系统结构参数和激励加速度变化对俘能器输出性能的影响,对比了有无磁性液体时俘能器的输出性能。结果表明：磁铁间距、悬浮磁铁与磁性液体的总质量和激励加速度能有效地改变俘能器的工作频率范围和输出功率幅值,而阻尼比主要影响输出功率幅值。新型俘能器输出电压峰峰值和输出功率峰值分别达到426.88 mV和0.56 mW,增加磁性液体后输出电压和功率分别提升了22.67%和75%,对比其它低频振动俘能器,具有较优的输出功率特性。新型磁浮式俘能器的结构形式与建立的动力学模型能为拓宽此类俘能器工作频带范围和增强输出功率性能提供新的解决思路,具有良好的参考价值。     

随机激励下双稳态压电振动发电机的振动特性

基于双稳态压电振动发电机系统参数的非线性,建立了随机激励环境下压电振动发电机的动力学模型。研究了振源频率改变、振源个数选取和振幅变化对系统输出响应的影响,分析了磁间距变化对系统双稳态特性和输出电压的影响。结果表明:当振源频率或振幅改变时,系统响应表现为小幅周期运动、大幅混沌运动和小幅周期运动。当多个振源激励时,压电振动发电机具有更大的谐振带宽和更高的能量转换效率。当磁间距为3.9 mmd6.6 mm时,系统具有双稳态特性,系统响应表现为大幅周期运动,此时压电振动发电机输出电压值最大。     

涡激振动型水力复摆式压电俘能器的仿真与实验研究

针对低速水流的能量收集问题,提出了一种复摆式涡激振动压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁与尾端圆柱平行连接组成,具有免予封装绝缘,振动响应大,易于在低速水流中产生涡激共振等优点。通过流-固-电耦合仿真分析和实验测试的方法,研究了水流流速对复摆式压电俘能器振动和俘能的影响规律。结果发现,俘能器的输出功率随负载电阻先增大后减小,存在最优电阻可使俘能器的输出功率最大。俘能器的振动幅值和功率输出均随流速的增大而先增大后减小,在涡激共振处出现最大值;振动频率整体随着流速的增大而增大,但在涡激共振区域,由于"锁定",俘能器的振动频率基本保持在俘能器的固有频率处。俘能器输出功率随圆柱直径的增大而增大,但涡激振动速度也相应的提高。     

磁力耦合压电振动能量采集器研究

提出一种基于汽车减振器的磁力耦合压电振动能量采集器,可以采集更多的振动能量,并减少振动引起的冲击力。该设计中包括永磁铁阵列和弯张压电单元阵列。磁力耦合作用将不规则的往复振动转换成单向磁排斥力作用,并通过弯张结构放大作用于压电片。建立磁-机-电耦合模型并进行实验。实验结果表明:在以固定频率f=12 Hz、13 Hz和15 Hz输出时,增加随机振动信号的幅值,压电俘能器所俘获的电压幅值也随着增大,且输出的电压峰值与振动信号幅值峰值点一致;同时发现幅值相近时,在振幅可视为相等情况下,振动信号频率不同,电压幅值维持不变,电压信号频率改变。该设计结构紧凑,可以集成于汽车减振器中而不显著增加器件体积。     

压电-电磁复合振动俘能器的耦合负载特性及俘能性能

基于环境振动的俘能装置作为自供能微电源可以有效避免对外部电源的依赖。提出了一种新型的两端固支式低频压电-电磁复合振动俘能装置。理论推导了复合俘能系统的耦合动力学模型及俘能性能方程。利用搭建的实验平台分别研究了单一压电式、单一电磁式以及复合俘能装置不同激励加速度、频率以及两个支路不同外接负载下的耦合负载特性及俘能性能。实验结果表明:在基础振动加速度0.5g,压电、电磁支路外接最佳匹配阻抗50kΩ和30Ω的条件下,压电俘能支路,电磁俘能支路以及复合俘能装置最大谐振俘能输出功率分别为1.05,7.18及8.23mW。与单一形式的俘能装置相比,提出的复合俘能器提高了俘能效率,并具有一定的宽频俘能特性。     

参数和直接激励下附加端部质量块悬臂梁压电俘能器的多尺度法非线性分析

考虑几何非线性、阻尼非线性和梁的轴向不可伸长条件,通过Hamilton变分原理,建立了一个附加端部质量块悬臂梁压电俘能器在受到参数和直接激励下的非线性机电耦合的运动微分方程。压电俘能器为压电双晶片悬臂梁结构。利用Galerkin法,非线性机电耦合的偏微分方程被降阶为非线性机电耦合型Mathieu-Duffing方程。为了研究俘能器在其主要的一阶共振情况下的响应,采用了多尺度法获得了梁的位移、输出电压和输出功率的解析表达式。利用解析表达式研究了参数激励和直接激励共同作用下阻抗,阻尼系数和端部质量块等对压电俘能器性能的影响。     

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。     

磁悬浮式双自由度轨道车辆轴箱振动能量采集器研究EI北大核心CSCD

提出了一种适合采集轨道车辆轴箱振动能量的磁悬浮式双自由度振动能量采集器。基于单自由度磁悬浮振动能量采集器的基本原理,设计磁悬浮式双自由度振动能量采集器的基本构型。利用磁偶极子模型,推导了圆柱磁铁的磁力方程,建立了磁悬浮式双自由度能量采集系统的动力学方程。考虑到系统具有的强非线性特点,利用龙格⁃库塔方法,得到了系统的幅频响应曲线。根据轨道车辆轴箱实测时间历程和频率分布特点,设计了磁悬浮式双自由度振动能量采集器的核心参数。对比分析单自由度振动能量采集器和双自由度振动能量采集器的频率响应特性。研究结果表明:非线性双自由度振动能量采集器可以有效拓宽俘能装置的工作带宽,进而提高能量采集功率。在简谐振动激励下,双自由度振动能量采集器比单自由度振动能量采集器的输出功率增加了约1.1倍,且工作带宽可以拓宽约2.7倍;在实测的轨道车辆轴箱振动激励下,双自由度振动能量采集器在一站间可采集到31.5 mJ能量,峰值感应电流为14.6 mA,峰值输出功率为9.4 mW。     

双自由度磁悬浮式轨道车辆振动俘能器的研究EI北大核心CSCD

提出了一种双自由度磁悬浮轨道车辆振动俘能器,该俘能器安装于轨道车辆转向架处,与单自由度磁悬浮轨道车辆振动俘能器相比振动能量收集效率得到显著提高。建立了双自由度振动俘能系统的物理以及数学模型,并对其动力学特性进行了分析,运用龙格库塔法计算得到双自由度俘能系统在简谐振动激励和轨道车辆垂向振动激励下的振动特性和输出功率并与单自由度俘能系统进行对比,研究结果表明:双自由度俘能系统共有两个共振峰,拓宽了俘能器的工作频带范围,通过改变尺寸参数可以提升系统针对目标频率的俘能效率;在简谐激励和轨道车辆振动激励下双自由度俘能系统的输出功率是单自由度俘能系统的1.5倍,能够高效俘获轨道车辆的振动能量。     

复合压电水平悬臂梁振动俘能特性试验及机电耦合模型研究

压电悬臂梁具有较好的振动俘能特性,然而其复杂力电特性及模型相关研究的不充分性导致实际应用受到制约。鉴于此,开展复合压电水平悬臂梁振动俘能特性试验及模型研究：首先,基于电路和结构基础设计搭建压电悬臂梁振动能量转换电能的试验系统,试验结果显示,压电悬臂梁俘能系统能量转换能力受外部激励频率、内部电路负载以及结构设计配重等条件的影响,其机电转换特性复杂,电压/电流-应变关系曲线呈近似椭圆形,功率-应变关系曲线呈近似蝴蝶形,还观测到由于结构自身及其配重的重力效应导致特性曲线形状呈现偏置现象;然后,提出力电耦合数学模型用于复合压电水平悬臂梁系统俘能的力电特性描述,通过与试验数据比较,验证该模型不但可以精确预测振动回收的电能(功率),还可有效模拟电压/电流-应变和功率-应变的复杂力电特性,且对试验特性曲线存在的偏置现象也能较好的模拟。试验和模型研究成果将对压电悬臂俘能系统在工程领域的进一步应用提供必要的理论基础。     

励磁绕组短路下关键运行参数差异对汽轮发电机转子动力学特性的影响

分析了励磁绕组短路下,关键运行参数差异对汽轮发电机转子动力学特性的影响。关键运行参数包括短路程度、短路位置,以及电机负载率;转子动力学特性包括转子不平衡磁拉力激励特性、径向振动响应特性,以及转子铁芯动力学响应规律。基于柔性转子不平衡磁拉力激励与振动响应的理论分析、有限元仿真计算,以及动模试验来探索不同运行参数造成动力学特性差异的规律。结果表明：正常情况下转子不平衡磁拉力趋于零,转子振动以常规基频和定子传递过来的各偶次倍频为主;励磁绕组匝间短路下,转子不平衡磁拉力及其振动响应将产生新的奇次倍频成分,且通频振动幅值增大。随着短路程度或负载的增加,转子不平衡磁拉力与振动响应的基频将增大;短路位置越靠近大齿处,转子不平衡磁拉力与振动幅值越大;转子铁芯大齿的外表面和内槽表面边沿为动力学响应的危险位置。     

基于希尔伯特-黄变换提取车辆轨道耦合系统时频特性

为研究各种激扰对车辆轨道耦合系统动力学响应时频特性影响,将基于改进经验模态分解（EMD）的希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform）应用于车辆轨道耦合动力学振动信号分析中。运用改进EMD方法提取耦合系统振动响应的固有模态函数（IMF）,并对其进行希尔伯特-黄变换,得到振动响应的希尔伯特时频幅值谱和边缘谱。分析表明：希尔伯特-黄变换较傅里叶变换的分辨率与精度高,能有效捕捉车轮缺陷及轨道谐波不平顺激励下车辆轨道耦合系统的调制信号;车体垂向振动加速度随轨道不平顺波长、幅值非线性变化,振动信号的轮周激励成分为调制信号,且随轨道不平顺幅值增大而减小,随轨道不平顺波长增大非线性变化。     

基于宽频-多模态的复合俘能器的解析模型与实验研究

为提高单频压电振动俘能器的能量转换效率和工作频带,结合压电和电磁能量转换机制,提出了一种新的混合俘能器系统。该系统由PZT悬臂梁、弹性悬挂磁铁块、粘附于悬臂梁末端磁铁块及谐振器等组成,引入谐振器及磁铁可实现增加系统模态数量和非线性。基于此混合振动俘能器建立了改进型连续体机电耦合解析模型,并由龙格-库塔算法进行了求解。在此基础上,研制了振动俘能器原理样机,并搭建了实验系统,通过实验和解析评估方法完成了单一式和复合式俘能器性能比对和评估;研究表明,所研究的混合型振动俘能器相对常规振动能量俘集原理可实现较宽的频率范围及多模态振动能量俘集,且能量俘集效率明显提高,具有较好的应用前景。     

三稳态电磁式涡激振动俘能装置发电性能研究

涡激振动能量转换装置涉及水流-圆柱型钝体-发电机之间复杂的流固电耦合问题。将非线性回复力、单向离合器和齿轮齿条机构引入到涡激振动俘能装置中,提出了一种三稳态涡激振动俘能装置,实现了将钝体的往复振动转化为驱动转子发电机单向转动的传动方案,采用Van der Pol方程描述流固耦合,建立了力学模型和考虑流固电耦合动力学方程。借助数值仿真,与双稳态涡激振动俘能装置的动力学响应和发电功率进行对比,证明了三稳态涡激振动俘能装置的优势。进一步获得了俘能装置中质量比、钝体直径和负载电阻对发电功率的影响规律,给出了某一流速下俘能装置出现最大发电功率的最佳结构参数,最后分析了飞轮惯量大小对发电功率的影响。     

基于谐波平衡法的双稳态压电发电系统非线性振动特性研究

研究双稳态压电发电系统非线性振动特性。通过谐波平衡法计算获得系统幅频响应方程,分析不同非线性系数、阻抗参数与激励对系统幅值解影响,随激励频率、幅值的变化,双稳态压电发电系统幅值解存在跳跃、多解现象,调节非线性系数及阻抗参数可使不稳定区域范围最小;研究外加激励对功率影响,随非线性系数及阻抗参数的增加,输出功率先增加后减小,通过调节磁化强度与负载阻抗可使系统输出功率最大;通过实验所得频率电压响应曲线及电阻功率响应曲线,验证系统非线性分析结果。可为双稳态压电发电系统工程应用提供理论依据。     

非规则封闭声腔在PVDF压电薄膜激励下的响应分析

在噪声主动控制领域,尽管PVDF压电薄膜相对于压电陶瓷而言应变压电常数以及扬氏弹性模量都较小,很少作为作动器使用,但由于它具有良好的柔韧性,能够大面积地覆盖在结构表面,产生大范围的分布应力,能承受较压电陶瓷大得多的电压,因此是一种很有潜力的作动器.为了分析PVDF压电薄膜对于非规则封闭声腔内部声压的控制机理,本文研究弹性边界上有一对压电薄膜作动器激励的非规则封闭声腔响应特性.文中首先以弹性边界的振动方程以及经典波动方程为基础,描述了结构-声之间的耦合作用;然后结合压电薄膜本构方程和弹性边界振动方程,给出了机电耦合的描述.结合这两种描述,本文给出了整个系统在输入交变电场的作用下,如何通过压电薄膜对结构的作用将激励传递到内部声场的理论分析,并且给出了仿真结果.     

桥面侧振引起的斜拉索空间耦合振动分析

基于Hamilton原理,建立了斜拉索由桥面侧振引起的非线性振动方程,并运用多尺度法求得该方程的近似解析解。结合具体的工程实例,讨论了激励幅值、激励频率、阻尼等参数对拉索振动响应的影响,并与数值方法解进行了对比。研究结果表明,桥面侧振会引起拉索的大幅振动,拉索振动表现出多值性、跳跃等非线性特性。