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:拱形-线形压电俘能器大幅响应带宽、响应幅值随激励强度的增大而增大;减小磁距会增加系统大幅响应带宽,但幅值有所降低。相对于直梁式结构俘能器,拱形-线形结构可以提高俘能器输出电压,提升俘能性能。研究为拱形-线形压电俘能器设计提供了理论指导,为改善俘能器性能提供了新的思路。     

一种新型磁致负刚度机构的研究

为提高精密仪器设备低频及超低频隔振性能,研究一种新型三磁体负刚度机构,分析该机构产生负刚度的原理以及初始间隙对刚度的影响;开展隔振系统的位移传递率分析,分析表明该负刚度机构能降低隔振系统的固有频率。对三磁体负刚度机构进行静力学实验和采用随机激励法的固有频率测试验证理论分析的正确性。结果表明三磁体负刚度机构能在不影响载荷性能的情况下降低隔振系统的固有频率,提高隔振能力。&{T梑     

一种曲面-弹簧-滚子机构的非线性隔振器特性分析

设计了一种以曲面-弹簧-滚子机构为负刚度元件的非线性隔振系统,得到了系统零刚度条件;针对系统存在过载或欠载使用的情况,建立了谐波位移激励下系统非线性动力学方程,并应用谐波平衡法求解系统响应;分别分析了最小刚度为零和正刚度时,不同激励幅值、偏移量、阻尼比时的系统动态特性;最后通过实验验证了最小刚度为零时过载系统的动态特性。结果表明,所设计的隔振系统具有低频隔振效果,系统在过载使用时呈渐软或渐软-渐硬的刚度特性,具有很好的隔振性能;设计和使用中应当合理选择设置隔振器刚度系数、阻尼系数,并适当限制系统所受的最大激励幅值,从而保证系统具有更好的隔振性能。     

一种双连杆-弹簧-曲面机构的QZS隔振器设计和研究

基于正负刚度并联原理,运用双连杆-弹簧-曲面作为负刚度机构、竖直弹簧作为正刚度机构,提出了一种准零刚度(quasi-zero stiffness,QZS)隔振器的新构型。针对上述构型,通过静力分析,研究了系统的位移-刚度特性和位移-回复力特性,得到了系统静平衡下的QZS条件。此外,建立QZS系统的非线性动力学方程,应用谐波平衡法和龙格库塔法求解。针对不同的激励幅值、阻尼系数和QZS参数等因素,研究了系统动力学响应和传递率特性。理论研究表明,该QZS构型可以有效降低模型的共振频率与最大传递率幅值。基于隔振器的三维模型进行数值仿真和实验研究,发现提出的QZS构型拥有较好的低频隔振性能,并具备与线性系统相当的高频隔振性能。     

畸形波作用下二阶波浪载荷对张力腿平台动力响应的影响

畸形波易对海上的建筑物造成极大的危害。为研究畸形波作用下张力腿平台的动力响应特性,考虑张力腿平台的六自由度运动与张力腿非线性恢复刚度,建立非线性耦合运动方程。结合随机频率相位角调制法生成的畸形波波面时历,计算在畸形波条件下平台所受的一阶及二阶和、差频波浪载荷,并采用数值方法求解平台六自由度的运动。结果表明,在畸形波作用下,一阶、二阶波浪载荷均受到畸形波的影响,但各波浪载荷成分的增幅在不同自由度上并不相同。以纵荡为代表的低频运动主要受二阶差频波浪载荷影响,以垂荡、纵摇为代表的高频运动受二阶和频波浪载荷的影响。而由平台水平面内运动引发的下沉运动在二阶差频波浪载荷的作用下显著增大,从而诱发了垂荡运动产生了显著增加,因此在畸形波作用下垂荡运动同时受到二阶和频及差频波浪载荷的影响。此外,由于畸形波具有冲击载荷的特性,不同自由度运动幅值出现时刻并不相同。     

一种悬臂梁组合几何非线性结构准零刚度隔振器研究

为拓宽被动隔振器的隔振频率范围,实现低频甚至超低频隔振,研究了一种由负刚度机构与线性弹簧并联构成的准零刚度隔振器,其中负刚度机构由悬臂梁组合几何非线性结构构成。建立隔振器的静、动力学模型,得出了隔振器的恢复力-位移、刚度-位移曲线;分析隔振器在力激励下的幅频响应特性和稳定性,得出了阻尼及激励幅值对其隔振性能的影响规律。设计搭建机械式振动实验装置,对隔振器进行试验研究。理论分析及实验结果表明,在相同静态承载力下,所设计隔振器较对应线性隔振器,隔振频带更宽、隔振性能更优。本研究为准零刚度隔振器的设计提供了新的思路。     

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。     

基于Stewart并联机构的直驱式波能转换器能量转换性能研究

为实现对不同方向海洋来流波浪能量的高效俘获，设计了一种基于Stewart并联机构的直接驱动式波浪能量转换器，该转换器的支链单元采用弹簧连接永磁体动子，通过与定子线圈的相对运动实现波浪能与电能的转换。在特定海域波浪环境下对该波能转换器进行动力学分析，并基于弗汝德-克雷洛夫假定法计算了转换器所承受的水平和垂直波浪力；采用ADAMS动力学仿真分析软件对该波能转换器进行动力学建模与能量转换仿真分析，研究了波浪力作用下其弹性支链的变形规律，并分析了支链弹簧刚度系数与动平台质量之比对转换器能量转换率的影响。研究结果表明：在波浪激励下，该波能转换器能够俘获由垂向和横向波浪运动产生的能量；通过优化调整支链弹簧刚度系数与动平台质量的比值，该波能转换器的最大能量转换率可达35.2%。研究结果可为新型高效波能发电装置的设计提供重要的理论依据。     

新型超低频非线性被动隔振系统的设计

通过分析正负刚度并联隔振机理,设计了一种新型超低频被动隔振系统。该系统采用负刚度机构与正刚度弹簧并联,具有较高的支撑刚度和极低的运动刚度,且系统刚度呈现非线性,解决了传统被动隔振系统存在的超低频隔振难题。通过对该系统力学特性进行分析,给出了系统刚度表达式及在平衡位置处的零刚度条件,为新型超低频非线性隔振器的设计提供了理论指导。     

超低频非线性隔振系统的研究

通过分析正负刚度并联隔振机理,提出了一种新型超低频被动隔振系统。该系统采用负刚度机构与正刚度弹簧并联,具有高的支撑刚度和极低的运动刚度,且系统刚度呈现非线性,解决了传统被动隔振系统存在的超低频隔振难题。通过对该系统力学特性进行分析,给出了系统刚度表达式及在平衡位置处的零刚度条件,为新型超低频非线性隔振器的设计提供了理论指导。     

波能转换装置耦合振动非线性水动力特性研究EI北大核心CSCD

针对一种新型波能转换装置,开展非线性水动力特性研究。在势流理论基础上,考虑装置不规则外形(不对称,且水线面面积不恒定)与位置变化等非线性因素对回复力的影响,并引入Morison模型分析流体黏性的附加惯性力效应与阻力效应,建立包含主要的线性与非线性水动力、从波能捕获到转换全过程的非线性动力学模型。利用计算流体动力学法搭建数值波浪水槽,开展波能转换装置响应的准确模拟,并将数值波浪水槽与所提出的非线性动力学模型的结果对比,进行非线性水动力的效应研究和系数辨识。结果表明:传统线性模型造成对波能转换性能的过高估计,非线性水动力模型显著提高了自由衰减振荡、波浪-装置耦合响应等过程的计算精度;Morison模型系数在不同工况中是变化的,幅值响应因子的计算在共振频率附近对Morison模型系数的敏感性最高。研究结果可为准确、快捷地衡量波能转换装置性能提供指导。     

浸没式参数激励摆波能转换装置能量俘获特性研究

引入参数激励摆的非线性机制,应用于波浪能发电装置,并根据实际波浪低频、低幅值激励特性,提出浸没式单摆波能转换装置,研究其在规则波中的能量俘获情况。基于势流理论,针对垂荡运动,建立非线性运动方程,进行数值求解,分析摆球质量比、激励频率、幅值和系统阻尼对能量俘获效率的影响,并与空气中单摆的能量俘获效率进行对比。结果表明:合理选取质量比,可降低浸没式参数激励摆固有频率;与空气中单摆相比,浸没式参数激励摆在低频、小振幅的波浪激励环境下,俘获能量频谱带宽更宽,发电功率更高。     

实现波能装置共振的方法研究

共振状态下波能系统效率高且聚能能力强的现象已为试验和理论所证实。研究实现波能系统共振的方法可以形成高效波能利用技术。在研究波能利用技术时,涉及流-固耦合、几何非线性、波浪易变性等问题,实现波能系统共振还有许多理论和技术问题需要解决。基于波能系统共振思想的主动共振波能技术是一种高效波能利用技术。通过在波能装置中设置可调的刚度对波能系统动力特性进行调整,使波能系统的自振频率与海浪频率一致,以实现波能系统共振。针对主动共振波能技术,基于势流理论及多刚体动力学理论,导出了刚度调节值计算公式。通过数值仿真试验证明了该公式的正确性和准确性。所提出的方法和共振控制方程同样适用于其他波能技术。     

基于磁致负刚度装置的低频隔振平台理论设计

基于ANSYS的有限元法开展了三磁体永磁负刚度装置优化设计,采用APDL参数化设计语言,分析了永磁体材料特性及结构参数对负刚度性能的影响。分析表明导磁体能较大程度增强装置负刚度性能;选择剩磁大,矫顽力小的永磁体材料能增强装置的负刚度性能;在体积恒定的情况下,选择大的长宽比以及合适的宽厚比,能获得更大的负刚度性能;装置的初始间隙越小,负刚度性能越强。根据分析结果,采用永磁负刚度装置及钢丝绳隔振器,开展了低频隔振平台的理论设计。     

非接触多磁环负刚度机构非线性刚度行为特性研究

工程车辆行驶和作业速度低、载荷大,驾驶员和乘员常全身暴露于低频大幅振动,导致作业效率低,甚至引发严重的振动职业病。准零刚度隔振系统具有高静-低动刚度特性,可有效过滤低频振动能量。接触式负刚度机构可带来摩擦损耗等问题,导致负刚度机构力学形态的不稳定。开发了基于非接触多磁环负刚度(non-contact negative stiffness, NCNS)机构和气动人工肌肉(pneumatic artificial muscle, PAM)正刚度机构并联的准零刚度隔振系统。为探明系统刚度行为机理,以多磁环负刚度机构为研究对象,基于比奥-萨伐尔定律和安培定律建立了负刚度解析模型;分析了不同参数(充磁强度、几何参数和磁场强度)下负刚度机构的刚度行为特性,并开展了验证实验。结果表明,轴向充磁比径向充磁可获得显著的负刚度特性;增加磁环外径、厚度及磁场强度均可提高负刚度机构的承载性能,但不改变其负刚度区间;增加上下磁环间距可扩展负刚度区间,但不改变其承载性能;计算模型与实验结果之间的校正决定系数为0.999 75,计算模型满足精度要求。为下一步准零刚度隔振系统建模、参数优化及其工程应用提供了理论基础。     

振荡浮子式波能转换装置动力输出系统特性研究

动力输出系统(Power Take-Off, PTO)作为波浪能转换装置(Wave Energy Converter, WEC)的主要构件之一,对系统运动及能量转换至关重要。首先基于势流理论,运用特征函数展开法得到圆柱形浮体所在流域的速度势函数级数表达式,进而通过边界匹配法得到作垂荡运动浮子的附加质量、阻尼系数及波浪激励力的解析表达式。针对阻尼器特性,分别研究线性和非线性PTO阻尼作用下,浮子的运动及波能转换特性,重点研究了线性PTO作用下的过阻尼问题。计算结果表明,低速度指数的PTO系统对装置运动的影响主要体现在PTO阻尼系数上,随着阻尼系数增大,波能装置的共振频率逐渐减小,但减小幅度很小;PTO系统的非线性特性并不能改变浮子的最优转换效率,但是较大的速度指数能有效改善PTO系统的阻尼容量;在较低频和较高频时,通过解析算法得到的最优PTO阻尼系数会使得装置处于过阻尼工作状态,且在低频部分需要进行最优PTO修正的最高频率和在高频部分需要进行修正的最低频率均随着半径和吃水的增大而逐渐减小。     

低频非线性浮筏隔振装置设计及特性研究

低频振动噪声影响水下装备声隐身性能。在原气囊隔振装置基础上,通过结构改进设计,使得侧向气囊能够为系统提供负刚度,通过与垂向气囊并联,设计了一种新型非线性浮筏隔振装置,提升了隔振装置的低频隔振能力。新型隔振装置由“侧向气囊-万向节-垂向气囊”非线性隔振器组和浮筏组成。分析了侧向气囊为系统提供负刚度原理,建立了非线性浮筏隔振装置六自由度动力学模型,设计了新型隔振装置样机并开展了相关性能试验。理论分析和试验结果表明,新型非线性浮筏隔振系统垂向一阶固有频率约为原系统的50%,垂向隔振性能提升了约6 dB,侧向隔振性能与原系统相当。此外,也研究了非线性浮筏隔振系统的摇摆稳定性。研究结果表明,在重载情况下,新系统能够具备较好的摇摆稳定性。     

矩形永磁铁的磁力计算及其应用

负刚度结构可用于系统的低频隔振,依据等效磁荷法建立矩形永磁铁的磁力和刚度解析模型,得到实现负刚度的最优磁铁布置和充磁方向,并设计三磁体型准零刚度隔振系统。仿真结果表明,矩形磁铁磁力和刚度计算模型准确,三磁体型准零刚度隔振器在不影响载荷性能的前提下具有优越的低频隔振性能。     

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。     

含凸轮-滚轮机构的准零刚度系统隔振特性实验研究

提出了一类含凸轮-滚轮机构的准零刚度隔振器,进行了静力学分析,给出了具有分段非线性的回复力;建立了隔振系统的运动方程,并利用谐波平衡法得到了主共振响应的一次近似解析解,给出了凸轮-滚轮保持接触的参数条件,并分析了保持接触情况下的力传递率;最后,对准零刚度隔振系统进行了激振实验分析,测定了不同工况下的力传递率,并与相应的线性系统进行了对比。结果表明：通过引入凸轮-滚轮负刚度机构,有效降低了起始隔振频率,抑制了共振,提高了隔振效果,因此,该准零刚度隔振器具有良好的低频隔振性能;凸轮-滚轮保持接触的前提下,激励幅值越大,负刚度机构越易发挥作用,隔振效果更显著。