L型压电振动能量采集器的有限元分析与特性仿真

单频悬臂梁式压电振动能量采集器存在工作频带窄、采集转换效率低等问题。通过在单频悬臂梁式压电振动能量采集器的水平悬臂梁末端增加一垂直悬臂梁,构造了一种L型宽频压电振动能量采集器;运用有限元法建立L型振动能量采集器的有限元分析模型,仿真分析了L型振动能量采集器的结构参数对其前两阶模态频率的影响,得到了结构最优尺寸。利用Hamilton原理建立了L型能量采集器的机电耦合分析模型,对其振动特性和电输出特性进行了数值仿真,结果表明L型结构能够提高能量采集器的工作频带和采集效率。     

多稳态压电振动能量采集器的动力学模型及其特性分析

提出了一种双线性弹性元件耦合的多稳态压电振动能量采集器,利用线性弹性元件的大变形引起采集器结构几何构型的变化,使采集器产生单稳态、双稳态和三稳态等非线性振动特性,达到提高能量采集器输出性能的目的。建立了双线性弹性元件耦合压电振动能量采集器的非线性恢复力模型,基于该模型,利用Rayleigh-Ritz模态分析法和能量守恒原理建立了能量采集器的集总参数机电耦合动力学模型,通过对动力学模型无量纲化处理后,仿真分析了系统参数对能量采集器的静力学特性(如非线性恢复力、势能、静态平衡点及其分岔)和动力学特性(振动位移、速度、相图、采集电压等)的影响。有限元计算结果验证了该仿真分析结果的正确性。研究结果表明:系统参数α=β≠0时能量采集器表现出光滑连续的单稳态、双稳态和三稳态等动力学特性,其中双稳态和三稳态振动时的能量采集输出功率比线性能量采集器高。     

周期荷载作用下拱式振动能量采集器的压电分析

能源需求的不断增加以及环境问题的日益凸显迫使人们在环境中寻求清洁能源。该文提出了一种新型拱式能量采集器,能有效利用波浪的振动能量。从拱式振动能量采集器的工作原理分析能量采集的可行性,采用Comsol建立了拱式能量采集器的有限元计算模型,分析周期荷载作用幅值、激励频率、负载电阻、压电片位置和基础层材料等参数对能量采集器压电性能的影响,确定采集器的最优设计参数。     

磁悬浮式双自由度轨道车辆轴箱振动能量采集器研究EI北大核心CSCD

提出了一种适合采集轨道车辆轴箱振动能量的磁悬浮式双自由度振动能量采集器。基于单自由度磁悬浮振动能量采集器的基本原理,设计磁悬浮式双自由度振动能量采集器的基本构型。利用磁偶极子模型,推导了圆柱磁铁的磁力方程,建立了磁悬浮式双自由度能量采集系统的动力学方程。考虑到系统具有的强非线性特点,利用龙格⁃库塔方法,得到了系统的幅频响应曲线。根据轨道车辆轴箱实测时间历程和频率分布特点,设计了磁悬浮式双自由度振动能量采集器的核心参数。对比分析单自由度振动能量采集器和双自由度振动能量采集器的频率响应特性。研究结果表明:非线性双自由度振动能量采集器可以有效拓宽俘能装置的工作带宽,进而提高能量采集功率。在简谐振动激励下,双自由度振动能量采集器比单自由度振动能量采集器的输出功率增加了约1.1倍,且工作带宽可以拓宽约2.7倍;在实测的轨道车辆轴箱振动激励下,双自由度振动能量采集器在一站间可采集到31.5 mJ能量,峰值感应电流为14.6 mA,峰值输出功率为9.4 mW。     

随动压电磁耦合能量采集器的组合共振分析

压电磁耦合能量采集器能够实现较宽频带振动能量转化,但输出功率受激励方向影响较大,为使能量采集器实时获取较大机械能,设计了一种利用摆锤惯性力实时调整压电悬臂梁和磁铁相对位置的新型能量采集装置,通过对其运动特性分析,利用能量法建立了系统的动力学模型,并应用多尺度法和数值计算方法对系统进行求解,分析了外加激励作用下系统的组合共振特性,讨论了外加激励幅值、磁铁间距、摆臂长度、悬臂梁长度和宽度对有效采集频带宽度和输出电压的影响规律。结果表明：摆臂能够使系统在较大加速度激励下获取较高的机械振动幅值,并有效拓展能量采集频带;同时改变磁铁间距、摆臂长度和悬臂梁结构参数可有效提升能量采集性能。     

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。     

低频电磁振动台非均匀气隙磁场优化设计

针对大行程低频电磁振动台气隙磁感应强度参数非线性导致振动激励信号产生失真的问题,在电磁振动台机电耦合模型分析基础上,采用电路等效原理建立大行程磁路简化数学模型,并基于Ansys Maxwell软件对气隙磁感应强度的非均匀分布特性进行仿真分析。基于连续混合整数非线性规划算法,分别仿真分析不同内磁轭母线轮廓及端面结构非线性参数对应的气隙磁感应强度分布特性,得到具有最小不均匀度的变气隙及变截面磁路最优解。仿真结果表明:变气隙和变截面结构分别将优化前25.95%的不均匀度降低到7.09%和2.70%,变截面结构具有更好的优化效果。设计的优化磁路结构可有效改善大行程低频电磁振动台气隙磁感应强度的非线性,降低输出振动信号的失真度,提高低频振动校准精度。     

平面弹簧式四永磁体结构动能采集器设计及性能测试

根据振动学及电磁学理论,建立了采集器工作的物理模型,设计了一种平面弹簧式四永磁体结构振动能量采集装置,对拾振结构和换能结构进行了理论与仿真分析,讨论了采集器后续接口电路的整体设计方案,并对该电路进行了优化仿真,通过实验测试了该装置的性能,验证了其有效性和可靠性。实验结果表明,该采集装置接口电路输出电压可以在0.25 s内上升到9 V,此时,电压比较电路产生一个触发信号控制模拟开关导通,使设备正常工作,证明该采集器能可靠使用。     

Z型梁结构压电式能量采集性能分析

振动能量采集能够将外部环境中的振动能转化为电能,具有绿色可持续、节能环保、设计灵活等优势,在工业、生物、医学、军事等领域具有广阔的应用前景.为使振动型能量采集器适应更为复杂多变的工作环境,提高其采集功率和工作频带,提出一种多梁结构-Z型梁结构压电式能量采集器.理论分析了该采集器的固有振动特性,并通过有限元分析了结构尺寸...     

非对称、变势能阱三稳态压电振动能量采集器特性研究

为了提升压电振动能量采集器的综合输出性能,提出了一种具有非对称、变势能阱的三稳态压电振动能量采集器,它由一个末端带磁铁的压电悬臂梁以及一对可随弹簧拉伸和压缩而变动的外部磁铁构成。外部磁铁固定在水平弹簧自由端并与基座相连,且能够随着弹簧压缩和拉伸发生水平移动和转动,从而使系统产生非对称且随时间变化的势能阱。基于点磁荷法和拉格朗日函数,建立了压电振动能量采集系统的非线性磁力模型和分布参数动力学模型;仿真分析了磁铁间距离以及加速度和弹簧刚度等参数对系统势能及其动力学响应特性的影响规律。研究结果表明：弹簧拉压是产生非对称、变势能阱的主要因素;弹簧刚度使非对称势能阱的深度变浅,使采集器更易进入大幅阱间振动状态;随着弹簧刚度的增大,采集器输出电压随之先增大后减小。在低激励振幅下,非对称、变势阱能量采集器比传统对称势阱采集器有更广的频带宽度和更高的采集效率。     

球形永磁阵列振动能量收集器设计与优化

为实现多方向环境能量收集,设计球形电磁式振动能量采集器。基于二维Halbach阵列设计的球面Halbach永磁阵列,较传统永磁阵列能提高线圈中磁链变化梯度,从而提高结构输出性能;建立数学解析模型,据解析结果对模型各参数进行优化;对该模型进行有限元仿真分析及实验性能测试。结果表明,该模型能有效响应空间任意方向振动,进而转化为电能;外部激励为10 Hz、激励为水平方向、负载阻值50 Ω时,该球形振动能量采集器输出电能达最大,单个线圈中最大负载功率可达0.8 mW。     

谐振式压电叠堆的高效换能结构研究

压电叠堆具有纵向机电耦合系数高、耐疲劳性强的特点,但在低频振动条件下,压电叠堆的机电转换效率低,从而限制了其在结构振动能量收集方面的应用。通过将谐振频率接近结构振动频率的谐振器附加在压电叠堆表面形成谐振式压电换能系统,可以有效提高谐振频率附近的机电能量转换效率。本文对谐振式压电换能结构进行参数建模,以压电叠堆所受纵向力与结构激励力的比值衡量谐振式压电叠堆的换能效率,确定系统有效换能频带的宽度与系统的结构设计参数的关系,从而给出谐振式压电换能系统参数优化设计方法。谐振式压电换能结构的实验表明谐振器能有效增加较低振动频率下的机电能量转换效率,提高输出的开路电压     

考虑尺度效应的微振动能量采集器建模

考虑尺度效应~([1]),引入等效杨氏模量以便于对微压电悬臂梁进行有限元建模。搭建了振动特性实验平台,验证了考虑尺度效应的微梁动力学模型准确有效。在此基础上完善了微振动能量采集器的动力学模型,设计并制备了T型Si悬臂梁振动能量采集器。通过实验测试得到采集器的谐振频率、尖端位移和输出电压,与有限元分析结果相比较,改进模型比宏观模型的误差降低了13%,35%和22%。     

基于等效线性化方法的非线性振动能量采集器功率分析

输出功率分析是振动能量采集器结构设计、参数选择的重要依据.有鉴于传统功率分析方法比较复杂,以一类电磁式振动能量采集器为对象,提出了一种新的非线性振动能量采集器功率分析方法,其核心是将非线性振动方程进行等效线性化处理,并借助传递函数开展功率优化分析.首先,考虑非线性磁力以及基尔霍夫电流定律,建立了通用化的采集器1.5自由...     

多稳态压电振动能量采集器的非线性动力学特性及其实验研究

为了提高非线性双稳态压电振动能量采集器的输出性能,提出了一种基于磁?机?压电耦合的非线性多稳态振动能量采集器,通过在双稳态压电振动能量采集器模型基础上增加一对外部磁铁,构造了具有四个稳态的非线性压电振动能量采集器.利用磁偶极子理论建立了采集器悬臂梁末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型;利用Hamilton原理和Ral...     

磁力耦合压电振动能量采集器研究

提出一种基于汽车减振器的磁力耦合压电振动能量采集器,可以采集更多的振动能量,并减少振动引起的冲击力。该设计中包括永磁铁阵列和弯张压电单元阵列。磁力耦合作用将不规则的往复振动转换成单向磁排斥力作用,并通过弯张结构放大作用于压电片。建立磁-机-电耦合模型并进行实验。实验结果表明:在以固定频率f=12 Hz、13 Hz和15 Hz输出时,增加随机振动信号的幅值,压电俘能器所俘获的电压幅值也随着增大,且输出的电压峰值与振动信号幅值峰值点一致;同时发现幅值相近时,在振幅可视为相等情况下,振动信号频率不同,电压幅值维持不变,电压信号频率改变。该设计结构紧凑,可以集成于汽车减振器中而不显著增加器件体积。     

一类电磁式薄膜振动能量采集器动力学建模与非线性分析

将柔性薄膜和磁铁弹簧相结合,借助振子的阱间运动特性,创新性地设计了一类具有双稳态形式的电磁式振动能量采集器。对系统中的主要非线性因素(具有中心质量的薄膜振子大变形以及非线性形式的磁场力)进行了全面的分析,进而结合虚功原理建立了系统的振动控制方程。采用理论、数值模拟和实验等手段进行了动力学分析,证明了控制方程的准确性,也验证了双稳态所表征的阱间运动能够有效地拓宽结构的工作带宽、提高输出功率。研究结果对于类似柔性体结构多稳态能量采集器的设计、优化,理论分析都提供了可供借鉴的参考依据。     

航海船舶多维振动主动控制研究

采用基于并联机构和电磁作动器的多维振动主动控制装置,实现了对船舶航行中面临的多维低频振动衰减。对振动控制装置进行了结 构设计、系统控制模型分析和控制算法研究,并制作样机进行了实验研究。样机试验结果表明,该多维减振装置能够实现船舶多维低频振动主 动控制。     

基于电镀铜平面弹簧的微型电磁式振动能量采集器

采用微机电系统加工技术制作出一种结构新颖的微型电磁式振动能量采集器,它可以把周围环境中的振动能转换为电能.整个结构主要由圆形SmCo28永磁体、铜平面弹簧和双层线圈构成.采用Uv-LIGA技术和电镀技术制作铜平面弹簧和双层线圈,并与永磁体一起组装成试验样机,其体积大约为200mm3.Ansys有限元仿真结果表明共振结构的一阶固有频率为129.3Hz.对组装好的电磁式振动能量采集器试验样机的初步测试表明:在加速度为3g(g=9.8m/s2)的外界输入冲击下,负载两端的交流电压峰峰值为32.5mV.     

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%。