等应力楼梯压电俘能装置数学建模与实验研究（英文）

为了提高楼梯压电俘能装置的发电效率,设计了一种等应力式压电俘能单元结构,建立了等应力式压电俘能单元结构的压电俘能数学模型;搭建了压电俘能性能测试实验平台,对无等应力块和有等应力块的悬臂梁压电俘能装置进行了对比实验测试,实验结果表明:当振动激励条件相同时,有等应力块的等应力压电俘能装置的集电效率高于无等应力块的悬臂梁压电俘能装置;在低频激励条件下,当激励位移不变时,两种装置的俘能超级电容电压均随激励频率的增大而减小;当激励频率不变时,两种装置的俘能超级电容电压随激励位移的增大而增大。     

等应力楼梯压电俘能装置数学建模与实验研究

为了提高楼梯压电俘能装置的发电效率，设计了一种等应力式压电俘能单元结构，建立了等应力式压电俘能单元结构的压电俘能数学模型；搭建了压电俘能性能测试实验平台，对无等应力块和有等应力块的悬臂梁压电俘能装置进行了对比实验测试，实验结果表明：当振动激励条件相同时，有等应力块的等应力压电俘能装置的集电效率高于无等应力块的悬臂梁压电俘能装置；在低频激励条件下，当激励位移不变时，两种装置的俘能超级电容电压均随激励频率的增大而减小；当激励频率不变时，两种装置的俘能超级电容电压随激励位移的增大而增大。     

并联结构d_(15)模式PZT-51悬臂梁的俘能性能

利用高剪切压电系数,设计并制作并联结构d15模式PZT-51悬臂梁装置,测量其在不同负载电阻下输出峰-峰值电压和输出功率随频率变化的关系以及不同负载电阻下共振瞬时输出电压和振动激励电压与输出峰-峰值电压关系。当频率为96 Hz、负载电阻为100 k?时,该PZT-51悬臂梁装置的输出峰-峰值电压最大值为1.96 V,输出功率达到最大为19.21μW。随着振动激励电压的增大,并联结构d15模式PZT-51悬臂梁装置的输出峰-峰值电压随之增大,并联结构d15模式PZT-51悬臂梁俘能特性的研究可为设计d15模式压电俘能器提供指导。     

双激励压电悬臂梁的力电响应分析

压电能量收集器因其结构简单、能量密度高、不受电磁干扰、能够在较低的频率收集振动能等优点,在机械、电子和航空航天等领域具有良好的应用前景。针对提高压电振动能量收集器发电效率的动力学设计,旨在研究双激励环境下压电悬臂梁的力电响应特性。根据Euler-Bernoulli梁理论、压电材料本构关系以及克希霍夫定律,建立双激励压电悬臂梁的机电耦合动力学模型。在此基础上,应用Galerkin法与模态叠加原理推导压电悬臂梁的力电响应表达式,建立根部应变与输出电压的关系模型。测试不同参数下单/双激励压电悬臂梁的力电响应特性,验证理论推导的合理性。最后,分析相位对双激励下压电悬臂梁输出电压的影响。结果表明：压电悬臂梁在双激励下的应变幅频响应变化规律与电压响应规律基本吻合;双激励下压电悬臂梁的力电响应曲线均呈现先增大,在接近共振频率达到极值时减小的变化趋势;激励幅值的增大导致压电悬臂梁的刚度和共振频率降低,试验测得的压电悬臂梁最大频率降为1.5 Hz;调节2种激励信号的相位,会影响输出电压响应,而且在一个周期内呈先减小后增大的趋势。     

压电悬臂梁能量收集及减振研究

根据压电悬臂梁和悬臂梁-质量块振子的理论模型,针对船舶柴油机多振源、高频振动等特点,提出了一种集压电集能和减振降噪两种功能协调工作的多压电悬臂梁装置。运用COMSOL有限元分析软件建立了带质量块的多悬臂梁仿真模型。有限元仿真分析结果表明:压电悬臂梁结构振动频率接近柴油机固有频率时产生共振,振动由柴油机转移到悬臂梁装置,柴油机振动情况明显减少,压电片输出电压和功率分别为5. 88 V和3. 46 m W。压电悬臂梁减振降噪和压电能量收集实验得出:悬臂梁与振动源在频率18 Hz发生共振,振幅由19. 49 d B减少到2. 41 d B,压电片最大的输出电压约为5. 92V,集能效果和减振都较为明显。     

考虑疲劳的压电振动能量收集器发电能力分析

针对压电振动能量收集器的振动疲劳问题,研究疲劳对压电悬臂梁发电能力的影响。以能量收集器用压电悬臂梁为研究对象,通过扫频模态试验和基础激励振动试验测得试验件的应变响应和电压响应。分析数据,讨论基础激励加速度与激振频率对应变响应和电压响应的影响。通过5×10⁵次疲劳循环加载前后试验件的应变响应和电压响应变化情况,研究疲劳损伤对试验件电压响应的影响。结果表明,不同激励环境对压电悬臂梁的疲劳损伤具有不同程度的影响,而压电悬臂梁的电压响应变化与因疲劳损伤导致的疲劳应变响应变化近乎呈正相关性。     

面向采煤机的全方向压电自俘能无线监测系统研究

针对采煤机状态监测中传感器布线难引起的通信和能源供给问题,研究一种振动能量供电的无线监测系统,将采煤机械工作时振动能量转化为电能,给工况监测用传感器及信息传输用无线通信模块供电,实现工况监测传感器自供电和智能检测.通过对系统组成功能模块分析,提出了全方向压电能量收集及无线监测系统方案,介绍了全方向能量收集装置结构设计及优化、低功耗能量收集电路设计、俘能器集能效率建模以及无线传感器网络节点能耗分析等模块.研究对解决采煤机在线监测传感器布线难、通信难、能源供给难等问题,改善采煤机工况监测水平具有重要意义.     

面向采煤机的全方向压电自俘能无线监测系统研究

针对采煤机状态监测中传感器布线难引起的通信和能源供给问题,研究一种振动能量供电的无线监测系统,将采煤机械工作时振动能量转化为电能,给工况监测用传感器及信息传输用无线通信模块供电,实现工况监测传感器自供电和智能检测。通过对系统组成功能模块分析,提出了全方向压电能量收集及无线监测系统方案,介绍了全方向能量收集装置结构设计及优化、低功耗能量收集电路设计、俘能器集能效率建模以及无线传感器网络节点能耗分析等模块。研究对解决采煤机在线监测传感器布线难、通信难、能源供给难等问题,改善采煤机工况监测水平具有重要意义。     

悬臂梁压电系统性能分析与应用研究

基于压电效应,设计了一种包含悬臂梁、压电片、磁铁和驱动马达的新型压电系统,通过对其发电性能的优化分析,将该系统应用于自行车警示灯装置中,并作为自主供电系统.首先利用ANSYS对压电悬臂梁进行结构应力和动力学分析,探讨尺寸变化对发电性能的影响,进一步利用圆盘的转动和磁力的作用使压电悬臂梁弯曲变形并增加其振幅,研究了磁铁不同间距、马达转速对输出电压的影响,并进行了电路分析实验.结果表明:将该压电系统装配在自行车上,车轮转速240 r/min,磁铁间距为15 mm时,可输出4.42 V电压,LED灯能保持稳定点亮状态,作为自行车夜间警示灯使用具有较好的效果.     

悬臂梁压电系统性能分析与应用研究（英文）

基于压电效应,设计了一种包含悬臂梁、压电片、磁铁和驱动马达的新型压电系统,通过对其发电性能的优化分析,将该系统应用于自行车警示灯装置中,并作为自主供电系统。首先利用ANSYS对压电悬臂梁进行结构应力和动力学分析,探讨尺寸变化对发电性能的影响,进一步利用圆盘的转动和磁力的作用使压电悬臂梁弯曲变形并增加其振幅,研究了磁铁不同间距、马达转速对输出电压的影响,并进行了电路分析实验。结果表明:将该压电系统装配在自行车上,车轮转速240 r/min,磁铁间距为15 mm时,可输出4.42 V电压,LED灯能保持稳定点亮状态,作为自行车夜间警示灯使用具有较好的效果。     

裂纹对航空发动机整体叶盘振动特性的影响

针对航空发动机涡轮叶盘运行中产生的疲劳裂纹改变振动特性的问题,基于有限元模态分析理论对其进行研究。建立不同裂纹长度、裂纹分布位置的整体叶盘有限元模型,分别分析动静态下固有频率的变化;分析裂纹对整体叶盘频率转向的影响;最后,通过分析含裂纹叶片在激励作用下的响应,得出其响应幅值和振动方向的变化。结果表明：裂纹会降低整体叶盘固有频率,且对低阶频率影响较大;裂纹会影响整体叶盘振型,出现振动局部化现象;裂纹的出现影响整体叶盘频率转向现象的发生;整体叶盘中含裂纹叶片的响应峰值随着裂纹长度的增加而逐渐增大,且裂纹叶片会出现大范围振动反向现象。     

基于压电晶体的高效电能转换设备设计

为了高效地利用风能和雨能,设计了通过压电传感器组件a将风或雨的能量转换为电能的装置。该装置可为负载和蓄电池供电,它的分辨力高,即使是弱风和小雨产生的微压也能进行电能转换。当压电晶体板d或e受压时,小齿轮顺时针或逆时针旋转;当压电晶体b或c受压时,液压缸伸长或收缩。在液压缸和小齿轮的作用下,压电晶体板a所在平面的法线自动调整到正好与风和雨的方向一致,从而增大了电能转化率。     

悬臂梁基板对压电纤维复合物驱动性能的影响

压电纤维复合物在驱动、传感、结构健康检测等领域具有广泛应用,研究压电纤维复合物的驱动性能对于压电纤维复合物实际应用具有重要意义。通过实验研究不同驱动电压条件(峰值、频率及偏置)对压电纤维复合物悬臂梁结构顶端位移的影响,探讨悬臂梁基板材料与压电纤维复合物驱动性能的关系,基于欧拉-伯努利梁理论利用悬臂梁顶端位移计算压电纤维复合物的驱动力。结果表明:压电纤维复合物的驱动性能具有明显的迟滞性。悬臂梁顶端位移的大小与驱动电压峰的峰值呈线性关系,且其不仅与驱动电压的峰值有关,还与驱动电压的偏置、频率有关。压电纤维复合物的驱动性能随基板不同而不同,其对刚性铝板的驱动力为5.2 m N,对柔性麦拉膜的驱动力为0.2 m N。     

基于有限元法的微径铣刀变形分析

文章基于有限元法建立了微径铣刀的欧拉悬臂梁结构动力学模型,求解了不同刀头直径,不同刀头长度和不同刀柄组合的微径铣刀的固有频率,可知随着悬伸长度的减小,固有频率表现出明显的尺度效应。通过计算微径铣刀的振型及变形得知,当悬伸长度相同时,在静态作用力下,随着刀头直径的减小,刀具变形增大;在动态作用力下,刀具变形对微径铣刀的铣削频率和固有频率的平方较敏感,铣削频率离微径铣刀的固有频率越近,刀具变形越大。微径铣刀的动力学变形分析有助于研究微细铣削力、合理选择微细铣削参数、提高铣削过程稳定性,从而获得良好的加工质量。     

基于压电晶体的高效电能转换设备设计

为了高效地利用风能和雨能，设计了通过压电传感器组件a将风或雨的能量转换为电能的装置。该装置可为负载和蓄电池供电，它的分辨力高，即使是弱风和小雨产生的微压也能进行电能转换。当压电晶体板d或e受压时，小齿轮顺时针或逆时针旋转；当压电晶体b或c受压时，液压缸伸长或收缩。在液压缸和小齿轮的作用下，压电晶体板a所在平面的法线自动调整到正好与风和雨的方向一致，从而增大了电能转化率。     

压电悬臂梁的力电响应及疲劳寿命分析

压电悬臂梁的力电响应与疲劳寿命是制约振动能量收集器深层次应用的关键。基于分布式参数建模方法,建立了压电悬臂梁的动力学模型,求解了压电悬臂梁的力电响应的解析解;借助有限元方法,开发了压电悬臂梁的仿真模型;通过实验验证了理论模型与有限元模型的准确性;应用仿真模型,分析了压电悬臂梁的几何尺寸、基体层厚度、陶瓷层厚度对力电响应的影响;基于估算的压电材料SN曲线,探讨了各参数对压电悬臂梁疲劳寿命的影响。结果表明：当宽度、基体层和陶瓷层厚度分别从16～24 mm、0.16～0.24 mm线性增加时,压电悬臂梁的疲劳寿命近乎呈现指数形式增加,而压电悬臂梁的长度由48 mm增加到56 mm,其疲劳寿命显著降低。     

悬臂梁式压电振动能量收集器的疲劳分析

压电悬臂梁的力电响应与疲劳寿命是制约振动能量收集器深层次应用的关键。基于分布式参数建模方法,建立了压电悬臂梁的动力学模型,求解了压电悬臂梁的力电响应的解析解;借助有限元方法,开发了压电悬臂梁的仿真模型;通过实验验证了理论模型与有限元模型的准确性;应用仿真模型,分析了压电悬臂梁的几何尺寸、基体层厚度、陶瓷层厚度对力电响应的影响;基于估算的压电材料S-N曲线,探讨了各参数对压电悬臂梁疲劳寿命的影响。结果表明：当宽度、基体层和陶瓷层厚度分别从16~24 mm、0.16~0.24 mm线性增加时,压电悬臂梁的疲劳寿命近乎呈现指数形式增加,而压电悬臂梁的长度由48 mm增加到56 mm,其疲劳寿命显著降低。     

金属纤维弹性模量的振动法测量

针对测量金属纤维弹性模量传统方法存在的局限,提出了一种用振动法测量金属纤维弹性模量的新方法。详细介绍了该方法的测量原理、测量装置、测量过程及误差分析。分别选择了钼丝和铂铱25合金纤维为测量对象,将被测材料制备成微悬臂梁试样,通过瞬态激励使悬臂梁产生短暂振荡,然后获得悬臂梁固有频率,再通过计算公式求出金属纤维材料的弹性模量。与静态拉伸法测量结果进行了比对,试验证明两者测试结果较为吻合。分析了悬臂梁长对测试结果的影响,结果表明:只有当梁长大于或等于8倍梁高(直径)时,这种影响才可忽略不计。     

叶片辊轧机辊系在准周期激励作用下的振动特性分析

考虑两种不同频率的周期外部激励的作用,建立了含有准周期外部激励的叶片辊轧机非线性垂直振动动力学模型。采用多尺度法求解了系统主共振情况下的幅频特性方程,研究了系统在两种频率周期外部激励作用下的幅频响应变化规律,并且研究了高频激励参数对系统的动态特性影响。研究结果表明:随着高频激励系数的增加,系统的固有频率增大,系统主频与高频振动幅值加剧;高频激励频率在一定范围内增大,则高频振动幅值相应减小。     

开斜槽纵－扭复合振动阶梯形变幅杆设计

基于声波传播基本理论,探讨了单激励下斜槽传振杆实现纵-扭复合振动的机制。采用有限元分析方法研究了阶梯形复合变幅杆结构尺寸对其固有频率的影响规律,设计出了谐振频率在20 k Hz左右的纵-扭复合振动变幅杆。研究结果表明:谐振频率为20 498 Hz时该变幅杆能在纵向振动单激励下实现纵-扭复合振动,且振幅呈周期性变化。此研究结果可应用于超声纵-扭复合振动加工声学系统的设计。