压电陶瓷复合材料振动发电研究

根据仿真设计和计算结果,制备了悬臂梁结构压电陶瓷复合材料,并考察了其振动发电性能。对复合材料的内外阻抗进行匹配,获得了最大的功率输出并在最佳阻抗匹配条件下,研究了振动发电性能与激励振幅和频率的关系。研究结果表明,压电复合材料的振动发电功率随着激励振幅的增大呈二阶增大,随着激励频率的增大呈线性增大。     

压电陶瓷片迟滞补偿建模及悬臂梁主动控制研究

为增强压电悬臂梁振动控制效果,提出一种基于最小二乘法的逆迟滞补偿控制算法。在不同电压下对压电陶瓷片位移进行实测,应用最小二乘法对其迟滞环进行多项式拟合建模,并利用压电片逆迟滞补偿模型对控制电压进行补偿。通过悬臂梁振动主动控制试验系统研究PID控制器在有、无逆迟滞补偿时的控制效果。结果表明:经过PID逆迟滞补偿后的主动控制效果比传统PID提高10.083%。因此,该逆迟滞补偿方法能够有效增强压电陶瓷片的主动控制效果,对于压电悬臂梁振动主动控制具有重要参考价值。     

多层PVDF堆叠式压电悬臂梁功率输出特性分析

针对低频激励下多层聚偏氟乙烯(PVDF)堆叠压电悬臂梁发电性能展开研究,以提高悬臂式压电俘能器输出性能。建立多层PVDF堆叠压电悬臂梁集中参数模型,分析不同层数堆叠对谐振频率的影响关系,运用COMSOL Multiphysics对多层PVDF堆叠压电悬臂梁进行仿真,讨论不同层数、不同布置方式、负载等参数对系统输出功率的影响规律,并进行试验验证。结果表明,多层PVDF并联堆叠能够有效提高压电俘能器输出功率,单侧堆叠3层PVDF时输出功率可达单层压电悬臂梁的2.9倍,双侧各1层时输出功率是单层压电悬臂梁的2.2倍,研究结果为压电俘能器优化设计及工程应用提供了理论依据。     

电极配置对悬臂梁压电振子发电能力的影响

研究了带末端质量块的悬臂梁压电振子多模态振动时的应变分布特点,针对压电陶瓷表面电极配置对压电振子输出电压的影响关系进行压电-电路耦合有限元分析,并建立悬臂梁压电振子发电测试系统,对工作在一阶和二阶谐振频率附近处的压电振子分段电极和连续电极输出功率进行对比分析。研究结果表明,一阶谐振时分段电极的峰值输出功率与连续电极相接近,二阶谐振时分段电极的峰值输出功率增加了900%。相比于连续电极配置法,分段电极配置法可有效提高压电振子在高频振动时的发电能力。     

基于力电响应的压电悬臂梁疲劳寿命预测EI北大核心CSCD

针对压电振动能量收集器的疲劳问题,旨在研究基于力电响应的压电悬臂梁振动疲劳寿命预测方法。结合压电悬臂梁振动疲劳试验测得的试验结果,以剩余刚度理论和“两段式”疲劳寿命分析模型为基础提出一种基于谐振频率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法;进一步分析振动疲劳过程中谐振频率变化与负载功率变化的关系模型,提出一种基于负载功率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法。结果表明:基于谐振频率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法的平均误差在10%~20%之间,其误差范围控制在1.5倍误差线以内;而基于负载功率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法的平均误差集中于25%左右,误差范围均控制在2倍误差线以内且属于偏安全的预测效果。     

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。     

考虑重力影响的压电悬臂梁发电系统动力学特性研究

微电子技术的进步降低了传感器的功率,从而使利用环境振动为传感器自供电成为了可能。建立了考虑重力影响的双稳态压电悬臂梁发电系统的力学模型,得到系统的控制方程,并进行无量纲化。借助数值分析,获得了简谐激励和白噪声激励下重力对双稳态压电悬臂梁发电系统平均输出功率的影响规律,结合半功率带宽法,在保障压电发电系统仍可进行大功率输出的前提下,提出了白噪声激励下重力最小影响区间的确定方法,该研究结果可为压电发电系统的相关研究提供数据参考。     

悬臂梁压电发电装置的实验研究

为了进行压电陶瓷材料发电性能测试与研究,研制了一套悬臂梁压电振子发电系统.设计了悬臂梁压电振子,并对压电振子进行了有限元分析和电导测试.在此基础上,设计了能量存储电路,并在低频下对悬臂梁压电振子发电性能进行了实验研究.研究结果表明,当悬臂梁压电振子处于谐振频率状态下振动时,输出电压和功率达到最大.输出电压随着负载的增大而增大,输出功率并不随着负载的增大而增大;压电振子存在-个最佳阻抗,当负载与最佳阻抗匹配时,此时压电振子的能量转化效率最高且输出功率最大.利用本实验系统进行压电发电实验测试,当负载为50 kΩ时,压电振子输出电压为7 V;当负载电阻为15 kΩ时,此时的输出功率最大可达到1.4 mW,产生的功率可以满足无线传感器等低耗能产品的供能需求.     

宽频压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

压电振动能量采集器是一种新型的力(加速度)-电耦合转换输出器件,为了提高单自由度悬臂梁压电振动能量采集器的输出功率和工作频带,通过在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器的方法,构造形成了具有两自由度的宽频压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了宽频压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明：大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率并拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压,优化后的短路谐振和开路谐振最大输出功率分别达到4386.5 mW/g2和4263.4 mW/g2。频带宽度达到10 Hz,且是SDOF系统的5倍。     

压电复合材料用于透镜式聚焦换能器的研究

为了增加聚焦换能器的带宽, 抑制其多模振动耦合现象, 提高电声转换效率, 实验采用1-3型压电复合材料代替压电陶瓷作为超声发射材料, 设计并制作了一种新型的1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器。通过频率特性的对比研究, 证明了1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器不仅能增加换能器的带宽, 达到PZT压电陶瓷透镜式聚焦换能器带宽的3.13倍, 而且能明显抑制径向振动, 得到单一纯净的厚度振动模态。另外, 1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器的电声转换效率达到PZT压电陶瓷透镜式聚焦换能器的1.88倍, 为高效率聚焦超声换能器的实现提供了理论及实验基础。     

基于拓扑优化的压电分流阻尼抑振实验研究

将结构拓扑优化引入压电分流振动抑制中,以压电元件的分布面积为设计变量,压电元件产生的电荷最大化为优化目标,对压电元件的拓扑进行了优化以获得最佳抑振效果。针对悬臂梁结构,得到了对不同的结构模态进行抑制时的压电元件最优拓扑构型。建立了带有压电分流阻尼系统的悬臂梁振动控制实验模型,将压电元件拓扑优化后的压电分流阻尼系统应用于悬臂梁多阶弯曲模态的振动响应抑制实验,并对比分析了带最优拓扑和非优拓扑压电元件的悬臂梁压电分流阻尼抑振效果。结果表明,对压电元件进行拓扑优化可以明显提高压电分流阻尼系统的抑振效果。     

压电悬臂梁机电耦合系统的建模及动力学特性分析

基于压电能量采集器中最为经典的压电悬臂梁模型展开研究。考虑悬臂梁的阵型信息和轴向应变分布,这导致与梁耦合的压电片的电边界条件复杂。分别基于均匀电场分布和均匀电位移分布的两种不同电边界条件,深入探讨压电悬臂梁的机电耦合原理和耦合特性,并建立机电耦合系统的数学模型;在传统一阶能量采集电路的基础上,在电路中加入电感,建立二阶电路,并改进数学模型;对于加入电感后的模型,2阶电路可以与其耦合的n自由度机械系统共同构成一个n+1自由度系统,从而可对耦合系统进行系统整体的仿真分析,同时深入研究不同电路元件对系统采集效率的影响,发现电感的加入可极大提高系统能量采集效率。     

多方向振动能量收集装置输出特性分析

针对一种压电振动能量收集装置输出特性展开研究,以实现多方向、宽频振动能量收集。首先,建立压电悬臂梁单自由度振动系统的微分方程,分析外激励下悬臂梁的输出响应。在此基础上,采用COMSOL建立多悬臂梁式振动能量回收装置有限元模型,并进行模态、输出电压及输出功率等分析,仿真结果表明振动能量回收装置在不同方向激励时均具有较高的电压、功率输出。此外,进一步讨论了装置的在不同方向激励下宽频输出特性,结果显示其在200～400 Hz频带范围内具有多个幅值相当的峰值。     

混合激励压电振动能量收集器的机电响应分析EI北大核心CSCD

为提高压电振动能量收集器在多种能量环境下的工作效率,旨在研究一种基础激励和风流体混合激励下压电振动能量收集器的机电响应性能。根据Euler-Bernoulli弹性梁振动理论建立了混合激励下压电悬臂梁的分布参数模型,通过建立机电耦合降阶模型得到了系统的第一阶模态机电控制方程,利用机电解耦方法推导了系统响应的解析解,讨论了负载电阻、风速对系统固有频率及机电阻尼的影响,分析了负载电阻、加速度及风速对系统发电性能的影响,验证了理论模型的正确性。结果表明,与基础激励相比,混合激励不但增大系统的能量收集功率,而且可在更宽的频带区间内收集能量。     

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。     

环境温度对压电纤维复合材料性能的影响

针对压电纤维复合材料在航天、航空领域的应用,研究极端环境温度对复合材料性能的影响。首先制备了基于锆钛酸铅(PZT)陶瓷的压电纤维复合材料,然后测试环境温度对压电纤维复合材料电学阻抗、自由应变、驱动性能和力学性能的影响。结果表明,环境温度对压电纤维复合材料的阻抗相位角差值有显著影响。随着环境温度的升高,压电纤维复合材料的自由应变和悬臂梁驱动性能均先增加后减小,环境温度为20℃时性能最佳,样品的最大纵向自由应变为604.0×10?6,驱动铝板悬臂梁产生的顶端位移为0.789 mm。当环境温度为?88℃和80℃时,样品最大纵向自由应变分别为20℃时的46.9%和51.3%,顶端位移分别为20℃时的79.6%和83.7%。当环境温度从?88℃升高至80℃时,压电纤维复合材料的抗拉强度逐渐提升。      

不同截面形状悬臂梁双晶压电振子发电能力建模与实验研究

为了研究截面形状对悬臂梁双晶压电振子发电能力的影响,本文根据压电方程和热平衡原理分别建立了截面形状为矩形、梯形和三角形悬臂梁双晶压电振子压电发电的数学模型,对截面形状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,并进行了实验验证。研究结果表明,在相同压电材料体积下,三角形压电振子最大输出功率为4.5mW,约为矩形压电振子的3.3倍,三角形压电振子相比于矩形和梯形压电振子具有更大的发电能力,可有效提高有限体积下压电振子的输出特性。     

双自由度压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器,构造形成了具有双自由度的压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了双自由度压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明:大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率,并能拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压。研究结果还表明:对于尺寸为50.8mm×31.8mm×0.26mm的悬臂梁基板和50.8mm×31.8mm×0.14mm的压电晶体构成的双自由度系统,在基础加速度40m/s2、频率38Hz的外界振动激励下,系统在负载电阻短路和开路状态下的最大输出功率分别达到4 386.5和4 263.4mW,是单自由度系统的10倍。双自由度系统的频带宽度达到10Hz,是单自由度系统的5倍。     

压电型人工耳蜗的实验研究

系统研究了不同特性的压电陶瓷植入耳蜗及其植入位置对听阈变化的影响，实验结果表明，植入材料的机电耦合系数和电容越大，听阈下降越明显；陶瓷片置于鼓介中内侧贴于螺旋神经表面成功率最高。充分证实了压电陶瓷片植入耳蜗可模拟毛细胞进行声电转换，刺激听神经引起听觉，提高聋耳的呼力这一新构想是成功的。     

三角形状压电振子压电特性分析与仿真

(压电振子的几何形状是影响其振动发电的重要因素之一。在相同压电材料体积下,三角形压电振子相比于矩形和梯形压电振子具有更大的发电能力。选用悬臂梁式三角形状压电振子作为研究对象,利用有限元分析软件ANSYS进行仿真研究。建立有限元模型;通过静力学和模态分析,研究压电振子的几何形状对其输出电压、固有频率的影响规律,然后在满足原来输出电压不下降的前提下对其进行尺寸优化,提高单位体积的发电能力。在相同边界条件和外力作用下,优化尺寸模型的体积是原来的0.94倍,输出电压是原来的1.03倍,取得了很好的优化效果。