一种电磁式低频振动能量收集器建模仿真与分析

对广泛存在于环境中的低频振动能,基于电磁感应原理,采用新型的磁力弹簧,透明光敏树脂材料和N38永磁体,设计了将低频振动能转换成电能的2种能量收集器原型样机;建立了能量收集器物理模型的静力学和动力学模型,采用Simulink模块分别对能量收集器的3种结构形式进行了运动学仿真,得到了相应的位移、速度及加速度表达式及其随时间...     

基于MEMS技术的三明治型电磁式微振动能量采集器

本文中设计了一种结构新颖的三明治型电磁式微振动能量采集器,主要包括上线圈、下线圈和由永磁体与硅基平面镍弹簧构成的拾振系统.上、下线圈的对称性分布有利于充分利用永磁体周围的磁场从而提高整个器件的机械能-电能转换效率.实验样机主要采用MEMS微加工技术制作,其中的硅基平面镍弹簧采用体硅微加工和微电镀技术制作,双层铜线圈采用微电镀和聚酰亚胺绝缘层技术制作.实验样机的体积约为0.32 cm3.振动特性测试表明,在外界加速度小于8 m/s2时,永磁体振幅随着加速度的增加而增加,在加速度大于8 m/s2以后,振幅几乎不再增加,出现饱和现象.电学特性测试表明,在8 m/s2加速度作用下,单线圈和串联线圈产生的感应电压峰峰值分别为82.5 mV和125 mV,因此,三明治结构的新型设计使得输出电压增加了51.5%.另外,在加速度为8 m/s2、频率为280.9 Hz的外界振动激励下,实验样机产生的最大负载电压和最大负载功率分别为125 mV和13.2μW.     

微型电磁式振动能量采集器的研究进展

随着低功耗无线传感网络和微机电系统的迅速发展,供电问题正成为它们进入实用化、产业化的一大障碍。现有的一个解决方案是微型电磁式振动能量采集器。首先给出电磁式振动能量采集器的工作原理、物理模型和设计原则,然后详细介绍目前国内外各研究小组研制的电磁式振动能量采集器的几何模型、结构参数、输出结果和技术特点,最后简单分析电磁式振动能量采集器面临的困难、挑战和发展趋势。     

应用于智能包装的横向电磁式振动能量收集装置设计

目的 为了解决智能包装中传感器工作时的无线供能和续航问题,设计了一种横向电磁式振动能量收集装置,用以解决无线供能和续航问题。方法 设计了一种振动能量收集装置,用于收集智能包装在运输途中的振动能量并转换为电能,实现智能包装的无线供能和续航。设计了装置的物理结构,并进行了低频振动模拟实验,通过仿真和实验对比了所设计装置的输出性能。结果 横向电磁式振动能量收集装置的仿真分析结果与实验测试结果基本吻合,在8Hz～10Hz激励频率,1g激励加速度情况下,输出电压均值高1V;在外接电阻为1033Ω情况下,装置的输出功率能够达到0.15mW以上。     

碰振升频振动能量电磁式采集系统的动力学建模与分析

振动能量采集技术是一种非常有前途的清洁能源技术,在飞行器结构传感器网络等方面有重要应用潜景.针对低频振动能量采集技术主要存在的功率密度低、采集频带窄等问题,提了出碰振升频振动能量采集设计方案.在考虑机电耦合的前提下,建立了碰振升频采集系统的碰撞动力学模型,并对其进行了无量纲化处理.通过数值仿真,研究了不同碰撞间隙对系统...     

单悬臂梁阵列式压电能量采集器的研究

根据当前物联网以及无线传感网络的需求,以MEMS技术为依托,结合压电效应,提出了一种单悬臂梁阵列式压电式能量采集器。在分析压电能量采集器结构力学特性的基础上,详细介绍了两种不同尺寸微结构的设计、加工和测试。采用ANSYS软件仿真,得出两种微结构的谐振频率分别为3.9和4kHz;利用溶胶-凝胶法制备出15和20层的PZT压电功能薄膜,电镜扫描其厚度分别为1 849,2 667nm,AFM对比表面形貌其粗糙度分别为1.8和2.11nm,后者致密更好,颗粒较小,相变温度相对比较高。     

垂向动磁式压电振动能量收集器建模及实验研究

该研究展示了一种垂向动磁式压电振动能量收集器,利用垂向磁铁的非线性力改善了单一悬臂梁的收集性能;为了对该结构进行设计分析与参数优化,建立了集总参数理论模型,利用仿真对多种模式进行了研究。聚焦于低频排斥模式,利用实验开展进一步研究;使用铝合金与压电纤维材料MFC搭建了实验平台,并验证了系统的能量收集性能。实验结果表明,该结构能够有效优化能量收集性能,且在误差允许范围内,数值仿真可有效预测结构性质;基于仿真及实验,对结构中的磁铁间距及磁感应强度参数进行研究并进行了最优化,在最优化参数下带宽可提高40.6%,峰值功率可提高42.7%。     

基于非线性能量阱的桥梁振动能量采集装置的适用性研究

非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES)作为一种经典的振动控制技术,近几年在一些研究中被创新性地与振动能量采集技术相结合,取得了一系列的进展。对于桥梁结构健康监测系统而言,传感器的供能问题一直有待改善,探究基于NES的振动能量采集装置在桥梁结构上的适用性,对于桥梁结构振动能量采集的相关应用具有重要的理论意义和实用价值;以铁路简支梁桥为例,进行了针对基于NES的桥梁振动能量采集装置的适用性的讨论：(1)测试与表征了NES装置的力学特性和系统参数;(2)运用车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学理论和有限元法,评估不同初始激励条件下NES装置的动态响应及其能量采集效果。结果表明,安装于桥梁结构上的NES装置具有弱线性刚度和强非线性刚度特性,对初始能量大小较敏感,只有当初始位移达到一定阈值时,NES-桥梁系统中的靶向能量传递(targeted energy transfer, TET)才会被激发。初始能量低于阈值时,TET无法被激发,NES装置能量采集效率不佳。基于数值分析的结果可知,该NES装置能够在合适的桥梁振动激励下发挥出非线性特性的优势,从而获得良好的能量采集效率...     

新型聚四氟乙烯体材料双面驻极结构振动能量收集器

提出一种新型静电式振动能量收集器,该器件采用基于聚四氟乙烯体材料驻极体的双面电晕驻极结构,提高了薄膜驻极体静电式振动能量收集器的输出功率．在电晕驻极栅网电压为-700V的条件下,体材料驻极体的上下表面分别获得了-564．0V±83．1V、-636．4V±69．7V的表面电位均值．采用组装方式制成器件,并在正弦激振条件下测试器件的输出性能．实验结果表明,在振动频率10Hz、峰值加速度1．2g的条件下,器件输出峰值功率达到30μw,平均功率达到5．5μw,优于目前多数薄膜驻极体器件的性能,接近低功耗传感器的实际功率要求．     

压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势

摘要：随着无线技术及微机电技术的日益发展,以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露,压电振动能量收集装置以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。本文从振动能量收集常用的压电材料及其压电性入手,从压电振动能量收集装置的结构设计和能量收集电路设计两方面对其进行阐述。在结构设计方面,以压电振动能量收集结构的方向性和响应频带为主线,详细介绍了国内外研究者在压电振动能量收集装置结构设计上的变化与创新;在能量收集电路设计方面,以能量收集效率的提高为主线,介绍了电路结构的优化改进。最后,总结了压电振动能量收集装置未来的研究趋势和方向,为从事压电振动能量收集研究的人员提供参考。     

玻璃纤维增强塑料夹层板振动能量流可视化研究

为探索复合材料结构在外部激励作用下的振动能量传递及分布特性,基于结构声强法对玻璃纤维增强塑料夹层板的振动能量可视化技术进行了研究。基于结构声强概念,结合复合材料结构层合理论推导了玻璃纤维增强塑料夹层板的结构声强解析表达式;给出了基于有限元数值方法的结构声强可视化计算实现流程,利用Python和Matlab语言编写了相应计算程序;接着从固有频率、振型及结构声强矢量三个方面验证了所提出可视化程序的有效性;以玻璃纤维增强塑料夹层板为例,利用结构声强技术提供的图形信息实现了激励源定位及振动能量传递特性的可视化分析;最后提取了剪切分量、扭转分量和弯曲分量对结构声强矢量的贡献情况,直观展示了剪切分量在振动能量传递过程中的决定性作用。     

地铁列车运行引起的振动对精密仪器影响的预测研究

采用一种动力有限元数值模型,并结合道路交通现场振动测试,对北京地铁8号线列车运行对邻近地铁线路的某科研楼内精密仪器的振动影响进行了预测研究,并比较了普通无砟轨道和浮置板轨道两种工况下楼内外的振动响应。提出了该有限元模型的网格划分、边界条件、阻尼施加等建模原则,采用实测的钢轨振动加速度计算而来的动态轮轨力作为该模型上的激励力。结果表明：采用该动力有限元模型可以有效地预测地铁列车运行引起的振动;浮置板轨道是一种有效的减振措施,在其工作频段内有显著的减振效果,但对低频振动没有减振效果,而且在其自振频率处还有一定的放大作用;地铁8号线开通后,地铁列车振动再叠加上道路交通引起的振动会对科研楼内部分精密仪器的正常工作造成一定的影响,仪器基座处可采取相应的隔振措施来减小这部分振动。     

Cymbal压电发电换能器有限元分析

通过建立Cymbal压电发电换能器的机电耦合有限元分析模型,计算分析了换能器结构参数对输出电压和谐振频率的影响以及外接负载对Cymbal换能器输出电压和输出功率的影响。研究表明,为了降低换能器的工作频率和提高换能器的输出电压,应增大换能器的空腔底部直径和减小换能器的空腔高度;在选择金属端冒和压电陶瓷厚度等参数时,应综合考虑换能器系统的刚度和外界振动源的频率特性和加速度特性;在任意一个频率点上,Cymbal换能器均存在一个最佳的外接负载,使得换能器的输出功率最大,而这个最佳的负载阻抗就等于Cymbal换能器在这个工作频率点上的输出阻抗。文中还提出并分析了基于外加预应力的多振子级联方式Cymbal压电发电换能器系统的结构。     

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。     

新型智能隔振复合结构的动态特性研究

针对精密机械的微位移隔振问题,设计了一种以PVDF压电薄膜为作动器和传感器的新型智能隔振复合结构。根据压电方程推导出了层叠式PVDF压电薄膜作动器厚度变形量表达式,建立了该智能复合结构的隔振理论模型,采用LMS自适应控制算法,以Matlab和有限元混合建模分析方式对本智能隔振复合结构的动态特性进行研究。有限元模型的分析结果与Matlab计算数据一致,验证了本新型智能隔振复合结构对微位移隔振的有效性,其结论将为精密仪器、微纳米设备的微位移智能主动隔振奠定理论基础。     

SAP5源程序中一处错误的更正

本文指出了ＳＡＰ５源程序中的一处错误，该错误会影响某些非线性振动计算的结果；给出了在源程序中改正错误的方法，对ＳＡＰＳ的应用有实用意义。     

基于能量有限元法的功能梯度梁振动分析

功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)由于其优良的结构性能和重要的应用价值,近些年来得到了广泛的研究和关注。采用能量有限元法对功能梯度梁和耦合梁的弯曲振动特性进行研究,推导了功能梯度材料梁的能量密度控制方程、能量有限元矩阵方程以及耦合梁的能量有限元方程,从而得到梁中的能量密度和能量流。以一简支功能梯度梁为例,分别采用该方法和传统有限元法计算了梁弯曲振动时的能量密度,通过对比验证了能量有限元法求解的准确性。在此基础上进一步对耦合功能梯度梁结构的能量密度和能量流进行了求解,得到其能量分布特征。该研究为基于能量有限元法分析复杂功能梯度材料结构的振动特性提供了理论基础。     

小倾角船用齿轮箱耦合系统固有特性研究

小倾角船用齿轮箱由于输入轴与输出轴存在一个夹角,使螺旋桨获得一个入水角,可广泛应用于高速快艇和游艇上,开展小倾角船用齿轮箱系统动态特性研究具有重要的意义。论文以某小倾角船用齿轮箱为研究对象,通过支撑轴承把传动子系统和结构子系统耦合起来,建立齿轮-轴-轴承-箱体耦合系统三维有限元动力学分析模型。用Lanczos方法对系统固有特性进行了分析,获得该小倾角船用齿轮箱固有频率和振型。用锤击法对该小倾角船用齿轮箱固有特性进行了试验模态分析,验证了理论分析的正确性,为小倾角船用齿轮箱的动态性能和优化改进奠定基础。     

二维自由振动问题的自适应有限元分析初探

自由振动反映结构动力特性,是抗震分析和结构设计的重要基础。近年来,基于单元能量投影（EEP）法的自适应有限元分析已在一系列线弹性及非线性问题中取得成功,而有限元线法（FEMOL）自适应分析在二维自由振动问题中的应用也被证实是有效的。在此基础上,该文进一步提出二维自由振动问题的自适应有限元分析方法。通过将特征值问题线性化,合理引入二维线性问题的EEP超收敛计算和自适应求解技术,该法可得到满足精度要求的自振频率和按最大模度量满足用户给定误差限的振型。该文以弹性薄膜为例,介绍了这一进展,并给出数值算例以表明该方法的有效性和可靠性。