非线性宽频压电振动能量采集器的研究

为改善双稳态压电振动能量采集器在基础低幅值激励条件下的输出性能,提出了一种带有线性放大器的非线性宽频压电振动能量采集器,通过线性放大器对基础低幅值激励进行一级放大后,激发双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动,从而提高能量采集器的输出性能。根据力学和电学平衡方法建立了非线性宽频压电振动能量采集器的两自由度集总参数模型和运动微分方程,并对系统模型进行时域和频域求解,仿真分析了系统质量比、刚度比等参数对系统输出特性(振动位移、速度、相图和输出电压等)的影响。最后,通过与双稳态压电振动能量采集器输出性能的实验结果对比分析,表明非线性宽频压电振动能量采集器在较小的激励幅值作用下具有更高的输出特性和更宽的工作频带。     

白噪声激励下势阱深度对双稳态系统发电性能的影响研究

以含附加线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器为研究对象,建立了高斯白噪声激励下考虑势阱深度的双稳态系统无量纲控制方程,将双稳态系统的势阱深度转化为刚度系数比值。借助数值仿真,分析了在不同的噪声强度下刚度系数比值对双稳态系统的发电性能影响,获得了不同噪声强度下的最优刚度系数比值。以不同噪声强度下使双稳态系统产生最大输出功率的势阱深度为目标,连续变化质量比和调频比参数,获得了此时仍可产生大功率输出的最佳参数配置范围。研究结果可为双稳态电磁式振动能量捕获系统的工程实现提供理论基础。     

2-DOF汽车悬架系统非线性动力学分析

为了研究外部激励作用下悬架系统的动态特性,建立了考虑非线性弹簧力和非线性阻尼力的二自由度四分之一车辆动力学模型。采用增量谐波平衡法分析了激励比和非线性刚度系数对悬架系统的动态特性的影响,并得到了各次谐波响应的幅频特性曲线。研究结果表明,在不同的激励比和非线性刚度系数作用下悬架系统表现出超谐波共振、主共振、多解、硬式/软式非线性以及跳跃不连续等强非线性行为。与此同时,悬架系统的超谐波共振响应对激励比具有明显的敏感性。除此之外,各参数对系统的主共振峰值及硬式非线性具有较大的影响。在一定范围内减小激励比和增大非线性刚度系数能够有效地降低悬架系统的振动幅值。     

摩擦作用下周期双参变激励齿轮系统非线性振动响应研究

研究了周期双参变激励齿轮系统在摩擦作用下的动力学响应,建立了考虑轮齿时变啮合刚度和齿间摩擦的单自由度扭转非线性振动模型,研究了摩擦因子、重合度、惯量比、刚度因子、阻尼因子、载荷分配系数等参数对齿轮系统非线性振动响应的影响。研究结果表明:摩擦对周期双参变激励齿轮系统非线性振动有重要的影响。     

磁铁间距对双稳态压电悬臂梁俘能器输出特性的影响研究

建立了双稳态压电悬臂梁俘能器的机电耦合动力学方程,基于磁偶极子模型进行了 2 个磁铁间磁力的计算,根据静态平衡点分析得到了系统发生双稳态运动时的磁铁间距范围。数值仿真分析了环境激励源振动频率发生变化时磁铁间距变化对系统平均输出功率的影响规律,设计制作了磁铁间距可调的双稳态压电悬臂梁俘能装置,并进行了环境激励频率变化条件下的压电悬臂梁振动能量捕获实验。实验结果与仿真分析具有较好的一致性,为提高双稳态压电悬臂梁俘能器的发电性能提供了一种有效途径。     

基于双稳态磁耦合效应的瓦级高功率电磁振动能量收集器

提出一种基于双稳态磁耦合效应的高密度电磁振动能量收集器,通过引入导磁铁心绕组对中间悬浮磁铁产生非线性磁力,可以产生双稳态势能阱实现低频段工作频带的拓宽。同时,导磁铁心与悬浮磁铁之间的强磁耦合作用能够增强线圈内部的磁通量变化进而提高输出功率。针对双稳态磁耦合振动能量收集器进行动力学建模仿真和试验测试分析,结果表明悬浮磁铁与导磁铁心之间的非线性磁耦合效应促使磁铁在两个势能阱之间进行大振幅的混沌或周期性振动,将工作频率范围拓宽至8～18 Hz。在受到加速度为4g的正弦振动直接激励时,能量收集器的输出功率为1.082 W,达到瓦级高功率输出,有望实现工业物联网传感节点的自供电,助力万物互联。     

白噪声激励下含线性振子的双稳态能量捕获器动力学特性研究

目前,将环境振动直接转换为电能已成为能量捕获器研究的热点。对附加线性振子的双稳态电磁式能量捕获系统建立了动力学方程,从数值仿真的角度研究了白噪声激励下含线性振子的双稳态能量捕获器的动力学行为,分析了噪声强度、系统质量比和频率比对发电性能的影响。计算结果表明,随着噪声强度、质量比和频率比的增大,双稳态发电振子的运动幅值在不断增大,并且会产生大幅混沌运动,同时系统的输出电压也在不断增大,为双稳态电磁式能量捕获系统的相关研究提供了理论基础。     

混沌振子双稳态悬臂梁俘能器特性研究

目前对双稳态悬臂梁俘能器的研究主要是基于受简谐激励或随机激励。提出Duffing振子混沌振动激励模型,将悬臂梁俘能器固定于Duffing振子上,振子的振动输出作为悬臂梁俘能器的动力输入。振子与悬臂梁俘能器构成一个两自由度非线性振动模型,建立了该模型运动微分方程。分析了单参数变化下,俘能器结构参数对俘能效果的影响。研究表明,在特定的混沌振动形式下,等效阻尼系数、等效刚度系数存在一个合理的取值区间以及最优等效负载电阻,使得俘能器俘能效果较好。     

非线性车辆模型混沌振动的仿真与实验研究

研究具有非线性的2自由度1/4汽车悬架模型在路面不平度激励下发生的混沌振动。对悬架模型在正弦激励下的混沌特性进行仿真分析。进一步通过建立2自由度1/4汽车悬架实验模型对系统的混沌特性进行实验分析,仿真和实验研究结果揭示系统发生混沌振动的可能性。     

有色噪声激励下非线性吸振器的能量传递

将双稳态振子作为非线性吸振器,建立了含非线性吸振器的主系统力学模型,给出了有色噪声激励下系统的控制方程并进行了量纲一化。借助数值仿真,研究了系统初值、调谐频率比、质量比、阻尼系数对主系统和非线性吸振器振动能量的影响规律。通过系统结构参数的逐步优化选择,获得了将主系统振动能量最小化并使非线性吸振器振动能量最大化的最优结构参数配置区间。