阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器的低频振动性能分析

提出了一种二级阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器,利用传递矩阵法和有限元仿真分析了结构振动的固有频率,研究了压电悬臂梁的几何参数对固有频率的影响,并将计算结果进行对比,得到了很好的一致性.最后,仿真得到了这种俘能器的输出电压频响曲线.研究结果表明,与传统的等厚度悬臂梁压电俘能器相比,所设计的阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器具有优异的低频特性,通过改变几何参数可以有效调控俘能器的共振频率,使其接近环境的振动频率,从而使得输出电压达到最高.研究结果可为采集环境中的低频振动能量,实现低功耗微电子元器件的自供电提供设计的理论依据.     

弹簧连接质量块压电悬臂梁低频和超宽频性能优化

针对压电悬臂梁因固有频率过高、频带窄等原因导致的振动能量采集效率低、实际应用效果不佳的问题,通过欧拉-伯努利梁的特征频率方程,分析悬臂梁收集能量的特性和振动学特性,得到影响压电悬臂梁固有频率的3个参数：有效刚度、有效质量和自由端惯性矩。提出一种通过改变整体有效刚度来优化悬臂梁的弹簧连接质量块式结构,并进一步通过改变结构的惯性矩得出多自由度弹簧悬臂梁,降低了梁的固有频率,并在仿真实验中得到验证。仿真实验中发现由于两阶谐振频率间距减小而产生频带叠加的现象,通过两阶频带分解解释其产生的可能性。实验结果得出弹簧连接质量块式悬臂梁结构较传统而言,输出电压提高30%,频带拓宽为原来的2.5倍;虽然与质量块悬臂梁相比改善效果不明显,但引入多自由度后输出电压最高能提高60%,频带拓宽最高为质量块悬臂梁的3.3倍。     

耦合弯曲-剪切载荷L型压电振子的低宽频特性

针对传统的压电能量采集装置固有频率高、工作频率范围窄及能量转换率低的问题,基于Timoshenko梁理论提出耦合弯曲-剪切载荷的L型压电振子,研究基于L型压电振子的复合压电结构的能量采集特性. 根据无线传感器的作业环境特点,研究L型悬臂梁的长度、宽度及延伸段长等因素对压电能量采集频率、输出电压峰值及能量转换效率的影响规律. 组合不同尺寸L型压电悬臂梁,研究设计回字形布局的阵列式复合振子. 经仿真分析与实验验证结果可知,在0~250 Hz低频环境下,能量采集频率为28~36 Hz、61~68 Hz、92~99 Hz以及103~111 Hz,较等尺寸传统阵列式压电复合振子覆盖频率平均提升了260%.     

压电悬臂梁多模态发电装置的仿真与试验

为了解决压电悬臂梁发电装置俘获低频振动时,结构共振频率带宽小不能完全发挥其发电能力的问题,对压电悬臂梁进行模态分析,结合汽车轮胎压力检测系统中自供电的要求与悬臂梁式发电装置振动模态的特点,提出利用弯曲振动模态和扭转振动模态构成压电悬臂梁发电装置,利用分布式的质量块布置方式实现弯曲模态与扭转模态的解耦,并使用有限元方法对其进行仿真计算。仿真结果表明:在一阶弯曲模态固有频率为12.6Hz不变的条件下,通过调整质量块分布位置,将弯曲模态的固有频率降低到17.2 Hz。对改进的压电悬臂梁发电装置进行试验,结果表明其发电能力是同条件下传统的集中质量块式悬臂梁发电装置的1.4倍。     

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。     

一种压电磁耦合换能器建模与分析

为了达到拓宽单悬臂梁压电换能器响应频率带宽、提高输出性能的目的,研究了一种压电磁耦合换能器。根据换能器的基本结构建立其相应的机电耦合模型,并推导出动力学方程和电学方程。利用四阶龙格库塔法求解了系统输出电压、输出位移,分析了负载阻值、激励频率值和磁铁间距等相关参数对于系统输出性能的影响情况。     

带质量块单晶压电悬臂梁的建模与仿真分析

基于压电原理,建立了带质量块的单晶压电悬臂梁模型,并运用有限元软件ANSYS对其进行模态分析和谐响应分析,研究支撑层厚度电压输出的影响,并进行应力分析,解释产生该结果的原因,最后在此基础上提出优化模型.     

悬臂梁单晶压电发电振子电压输出特性的有限元仿真分析

为了解决化学电池为低功耗电子产品供电中存在的问题,对悬臂梁单晶压电发电振子的电压输出特性进行了分析。根据欧拉伯努利方程和压电学理论,建立了悬臂梁式压电发电振子的电压输出特性数学模型,并对压电振子长度、金属基板与压电晶体的长度比,以及金属基板材料对悬臂梁压电发电振子的电压输出特性进行了有限元仿真分析。结果表明：所建立的数学模型与仿真分析结果基本一致;晶体板与金属基板的长度比存在一个最佳值,使得压电振子的输出电压达到最大,且随着金属基板弹性模量的减小,压电振子的输出电压逐渐减小;当金属基板分别为不锈钢、硅、磷青铜和铝合金时,晶体板与各金属基板的最佳长度比分别为0.60,0.65,0.70,0.75。     

涡激振动作用下压电悬臂梁俘能器的仿真分析

为了研究涡激振动作用下压电能量收集器与流体域之间的相互作用关系,基于ANSYS仿真软件,建立流-固-压电三场耦合模型,对置于圆柱钝体后一个圆柱直径位置处的压电悬臂梁在风场中的发电情况进行数值仿真分析。仿真结果表明,在卡门涡街的作用下,压电悬臂梁因两侧压力不同而发生振动,压电悬臂梁所发出的电压趋近于正弦信号,最大电压值为20V。同时,输出电压的相位与压电悬臂梁发生形变的相位一致,与涡街脱落的相位相差180°。该研究证明了仿真计算的可行性,为俘能器的设计提供了理论依据。     

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。     

悬臂梁压电振子频率调谐和发电能力研究

研究了一种带末端质量块的悬臂梁压电振子的频率调谐能力。理论分析了悬臂梁压电振子的结构尺寸对压电振子谐振频率和发电能力的影响关系,并分别对长度调谐和质量调谐前后的压电振子发电能力进行实验测试和对比分析。结果表明,增加悬臂长度或末端质量可以降低压电振子的谐振频率,减少悬臂长度或末端质量可以提高压电振子的谐振频率,但为达到更好的发电效果,降频调谐时,应该采用质量调谐法提高压电振子的输出功率,而升频调谐时．应该采用长度调谐法提高压电振子的输出功率．     

悬臂梁单晶压电振子发电的理论建模与仿真

为了解决电池为低功耗电子产品供能存在的诸多问题,对悬臂梁单晶压电振子的发电能力进行了研究.根据压电理论和热平衡原理,建立悬臂型单晶压电振子发电能力的数学模型,并对金属基板材料、基板厚度与压电片厚度对压电梁发电能力的影响进行了数值模拟与有限元仿真分析.研究结果表明,建立的数学模型与有限元仿真分析结果一致,压电片与基板材料存在一个最佳厚度比使得压电振子的输出电压达到最优,且最佳厚度比随着基板材料弹性模量的增大而增大,当基板材料分别为铝、磷青铜、多晶硅和钢时,单晶压电振子所对应的最佳厚度比分别为0.4、0.5、0.55和0.65,最后对以磷青铜为基板材料的压电振子进行了实验测试.实验结果表明,当压电片与基板厚度比为0.5时,压电振子输出功率最大,验证了理论分析的正确性.     

Low frequency wide bandwidth MEMS energy harvester based on spiral-shaped PVDF cantilever

In this paper,a piezoelectric energy harvester based on spiral-shaped polyvinylidene fluoride(PVDF)cantilever is designed and fabricated for harvesting low frequency vibration energy in the environment.In this design,the spiral-shaped PVDF cantilever is major for lowering the resonant frequency by increasing the length of the cantilever;Copper and silicon proof masses on both sides are working on further decreasing the resonant frequency and widen its bandwidth.Due to the high flexibility of the PVDF cantilever,this device is extremely sensitive to vibration and can harvest weak vibration energy.Both simulation and experimental results have approved that this device can operate at very low frequency which is about 20 Hz and can effectively harvest energy from 15–50 Hz.The peak of the output voltage can reach 1.8 V with the acceleration of 0.2 g.This is a promising harvester for powering the wireless sensors in the future.     

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。     

基于ABAQUS的压电悬臂梁有限元仿真分析

介绍了压电效应与压电材料相关理论及大型有限元分析软件ABAQUS及其力电耦合场分析功能,采用有限元软件ABAQUS对压电材料悬臂梁进行分析.建立了ABAQUS软件压电悬臂梁实体模型,设定几何尺寸和材料特性参数进行性能仿真,具有很好的通用性.讨论了不同电压下电压-位移变化关系.算例结果表明ABAQUS计算结果同理论解吻合很好,具有较高的精度.     

单腔单阀压电喷流泵

根据压电泵的工作原理开发了一种适用于喷流推进的压电泵.通过分析这种压电泵在一个周期内的工作状态及喷嘴直径对喷射高度的影响,制成了单腔、单阀结构的试验样机,并以水为介质测试了输出性能.实验结果表明:在200 V正弦电压作用下,样机工作频率为45 Hz时流量最大,达425 ml/min;工作频率为75 Hz时输出压力最高,为22 kPa,此时最大喷射高度可达105 cm.压电喷流泵以简单的结构实现了较高的压力输出,证明将其用作喷流推进是可行的.     

纵向辅磁双稳态压电悬臂梁非线性动力学

为了解决双稳态压电悬臂梁输出电压小等问题,引入了上吸引下排斥纵向辅助磁力,通过实验研究了辅助磁力对于双稳态压电悬臂梁复杂非线性动力学行为的影响.实验所用的材料为上下对称的层合梁,压电层的材料为极化后的PVDF,基层的材料为黄铜.对压电悬臂梁进行简谐激励,通过电压和位移的正向扫频和逆向扫频研究系统的跳跃现象,研究辅助磁力对于系统动力学行为的影响,分析纵向辅助磁力对系统由倍周期分叉进入混沌运动的影响.实验结果表明:当辅助磁铁与主磁铁之间的距离较大时,该双稳态系统表现出明显的硬弹簧特性;当辅助磁铁与主磁铁之间的距离较小时,该双稳态系统表现出明显的软弹簧特性;当辅助磁铁与主磁铁之间的距离由小变大时,系统表现出复杂化的非线性行为.     

Optimization of cantilevered piezoelectric energy harvester with a fixed resonance frequency

Piezoelectric energy harvesting is widely used to scavenge vibration energy in the environment.For some vibration sources with fixed frequency,cantilevered harvester can generate the energy effectively,so the optimization theory for cantilevered harvester in such an application is needed.In this article,we present the theoretical and experimental studies of the cantilevered piezoelectric energy harvester with a fixed resonance frequency.An analytical model based on energy method is used to estimate the open-circuit voltage and generated energy.Considering that the harvester may be subjected to the static force or steady-state sinusoidal vibration excitation,static and dynamic analysis is performed for device structure to achieve efficient energy.In the analysis,the effects of geometrical dimension on the energy harvesting performance are discussed comprehensively.Eventually,a prototype is designed and fabricated using(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)single crystal with ultrahigh piezoelectric properties and coupling factor.Performances of the cantilever with different clamped length are evaluated under sinusoidal vibration excitation,proving the good consistency between experimental results and theoretical prediction.The established analysis can provide useful guidelines for the structure design of cantilevered piezoelectric energy harvester with a fixed resonance frequency.