液压流体吸振器用圆形压电发电装置的建模与性能分析

提出一种用于液压流体吸振器的压电发电装置。为提高所用圆形压电振子的发电能力,获得最优的结构及材料性能参数,利用板壳理论建立了固支边界条件下的位移曲线及发电量的理论分析模型,研究了半径比(陶瓷/基板)、厚度比(陶瓷/总厚度)及弹性模量比(基板/陶瓷)等对其发电能力的影响规律。研究表明,在压电振子材料确定时,存在最佳的半径比和厚度比使其发电能力最大;在压电振子结构尺寸确定时,存在最佳的弹性模量比使发电量最大,且厚度比确定时的最佳弹性模量比与半径比无关、半径比确定时的最佳弹性模量比随厚度比的减小而降低;减小弹性模量比有助于提高压电振子的发电能力。铝基板及铍青铜基板压电振子的最佳半径比/厚度比分别为0.45/0.45和0.585/0.60,最大发电量分别为1.146 43×10-4J和1.018 93×10-4 J。     

新型人工中耳压电振子设计

提出利用压电叠堆作砧骨激励式人工中耳的振子,并利用中耳-压电叠堆耦合力学模型对该压电叠堆振子进行辅助设计。该模型基于一无任何听力损伤病史的成年志愿者的左耳,利用CT扫描和逆向成型技术建成。其可靠性通过与实验对比加以验证。最终设计的压电振子只需要10.5 V的有效驱动电压,便可以对镫骨激起相当于鼓膜处90 dB声压激励的振幅。该振子在频率为1 kHz的单伏电压驱动工况下,能耗仅为0.03 mW,满足人工中耳低电压、低能耗的要求。     

旋磁激励式圆形压电振子发电机

为满足旋转机构监测系统自供电需求,设计旋磁激励式圆形压电振子发电机,并着重研究磁铁尺寸、磁铁间距、压电振子厚度等对压电振子一次受激产生的最大输出电压及总能量的影响规律。结果表明,其它条件确定时,增加磁铁尺度或减小磁铁间距均可有效提高发电机输出电压及有效速带宽度。试验获得输出电压大于12 V的转速范围为100~2 850 r/min。压电振子厚度对输出电压及总发电量均有较大影响,低转速时采用薄压电振子、高转速时采用厚压电振子有助于提高发、供电能力。0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm厚压电振子最佳转速分别为707.5 r/min、1 301.8 r/min、2 490.4r/min,0.2 mm厚压电振子一次受激产生的电能/功率分别为0.4 mm、0.6 mm压电振子的3.1/1.7倍、6.4/2.0倍。以输出5 V供电电压为例,912 r/min时0.4 mm厚压电振子输出电能为0.6 mm厚压电振子的5倍,1710 r/min时0.6 mm厚压电振子的输出电能为0.4 mm压电振子的1.7倍。     

人工中耳悬浮式压电振子的优化设计

为了优化人工中耳悬浮式压电振子的植入效果,设计了一种位移放大结构用于改善振子的输出特性。首先采用微CT扫描和逆向成型技术建立了包括外耳道、中耳和简化耳蜗的人耳有限元模型,通过与文献的实验数据比对验证模型的有效性。然后建立人耳与悬浮振子的耦合力学模型,通过有限元的耦合场分析研究加入位移放大结构前后的人工中耳植入效果。研究结果表明,采用位移放大结构后,振子于中高频段的等效声压级得到明显提升,可以有效降低压电振子的功耗。     

压电驱动器环形压电振子特性及其等效电学参数识别

压电驱动器是一种由压电功能材料构成的微型机电器件,为研究改善压电驱动器环形压电振子的振动特性和俘能特性,建立了压电振子的机电耦合有限元模型,分析了压电振子齿槽倾斜度和支撑对其振动特性和俘能特性的影响,并从改善振子振动特性和俘能特性角度出发,对压电振子进行了结构优化设计;其次,利用该有限元模型求解了压电振子的导纳特性曲线...     

一种带谐振腔的压电风能收集器

为了提高风能收集器的能量转化效率,提出了一种带谐振腔的压电风能收集器。建立了该压电风能收集器的数学模型,该模型考虑了风流体、结构振动以及输出电能之间的关系。基于该模型进行了仿真分析,获得了收集器结构参数、风速对发电能力的影响规律。制作了风能收集器样机,并进行了实验,结果表明,在2~12 m/s的低风速范围内,带有谐振腔的压电风能收集器的输出电能要大于不带谐振腔的收集器。     

材料固有损耗对压电振子谐振特性及参数测量的影响

本从考虑损耗时压电振子的阻抗（或导纳）议程出发,详细分析了材料固有损耗对压电振子的频率特性及参数测量的影响。分析结果表明：谐振（或反谐振）频率与理想无损时的相应值的偏差随损耗的增大而增大、随谐序的增大而减小。中还进一步分析了机械损耗对压电振子几种常用参数测量结果的影响。     

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。     

砧骨激励式压电振子听力补偿性能实验

针对传统压电式人工中耳输出增益较小、工作频带窄的问题,提出利用压电叠堆型压电振子激振砧骨体来补偿听力。为验证该方案的可行性,搭建由送声器、测声探管、压电振子及激光测振仪等构成的颞骨实验台,对振子动态特性、听骨链在声激励下及压电振子激振下的动态特性进行了测量。通过对比分析镫骨在两种激励下的运动情况,研究压电振子的听力补偿情况。结果显示,该砧骨激励式压电振子在低功耗、低电压下,便能对听力损伤进行有效补偿。此外,该压电振子听力补偿时还具有高频性能优异的特点,一方面在同等驱动电压下,高频补偿能力更强,能激起高达130 dB鼓膜声激励对应的运动幅度;另一方面,对高频段听力补偿时,具有较高的清晰度。     

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。     

基于盲信号处理的机械噪声监测与故障诊断

摘　要: 在介绍盲信号处理统一模型的基础上,全面归纳了其典型算法,综述了它在机械噪声监测与故障诊断中的研究现状,重点讨论了混合模型、噪声盲源分离与盲解卷积、盲源分离与多种技术的结合、噪声监测与诊断系统研究等方面的应用,并指出需要进一步研究的主要问题。
     

基于EMD和VARMA模型的结构损伤识别

提出了基于EMD和VARMA模型的结构损伤识别方法。该方法首先将结构反应信号用EMD方法分解成一系列固有模态函数,然后将固有模态函数表示为时变VARMA模型并用Kalman滤波方法估计时变VARMA参数,最后根据时变VARMA参数定义一个新的损伤指标用于结构损伤识别。为检验该指标的实际性能,算例中选用ImperialCounty Services Building和Van Nuys Hotel作为基准结构。通过其实测地震反应记录的分析表明:该指标在实际的量测环境和噪声条件下具有较好的敏感性和抗噪能力,可有效地识别结构多处损伤的发生过程和严重程度;由于该指标定义在反应信号特征提取的基础上,无需其他额外的信息,它可同时用于结构整体和局部两个层次损伤的识别;同时,该指标还适于实时(在线)的结构损伤识别或健康监测,因其直接由时变VARMA参数推导得出。最后,对后续研究工作进行了展望。     

基于功率谱密度的路面评价与特征参数提取

介绍了道路路面数据测量系统的构成和数据预处理方法。针对测量的海量道路路面数据,阐述了路面数据的功率谱密度分析与传统的功率谱分析的差异,解读了GB/T7031-2005中的倍频程滤波和路面分级方法,提出了基于拟合直线的斜率截距路面特征参数提取方法和基于功率谱密度曲线的路面分级百分比例特征参数提取方法。在介绍路面评价和特征参数提取方法的基础上,使用真实的路面测量数据作为例子,充分显示了这两种路面特征参数提取方法的效果。实例分析结果表明,使用这两种路面特征参数提取方法来评价和分析道路路面数据,计算过程快捷方便,处理效果简单明显,可在道路路面数据的特征参数提取及其它工程振动信号的统计分析中推广应用。     

一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器

本文提出了一种采用PVDF压电薄膜代替弯张换能器的金属外壳的新型弯张换能器,即一种采用PVDF压电薄膜的弯张换能器。用阻抗分析仪、激光扫描测振仪和水声测量系统分别测量了采用PVDF压电薄膜的弯张换能器的谐振频率、带宽、发送电压响应、水平指向性。通过对比分析实验结果,可以看出该新型换能器与传统换能器一样可以将压电晶堆纵的振动转化为壳体的径向振动。     

中小跨径梁桥地震易损性研究

为对桥梁系统地震易损性进行准确评估,结合Copula函数技术,提出基于串-并联组合体系的桥梁系统易损性分析方法。桥墩是桥梁抗震中的控制构件且较难修复,采用串联体系将多个桥墩进行组合,对于修复难度较低的桥台及支座构件,采用并联体系进行模拟。在此基础上,将桥墩、桥台及支座三类构件体系进行串联,构成桥梁系统的串-并联组合体系。以三跨连续箱梁桥为例,阐明了基于串-并联体系的桥梁系统易损性分析方法,并将分析结果与基于串联体系的桥梁系统易损性进行对比。结果表明:对于中小跨径的连续梁桥,基于单一串联体系会明显高估桥梁系统的易损性,相对于串-并联体系,在轻微、中等、严重及完全四种破坏状态下,其中位值偏差在纵桥向分别为22.2%、20.7%、20.5%及24.6%;在横桥向分别为30.0%、16.1%、9.8%及11.3%,基于串-并联组合体系建立桥梁系统地震易损性更切实合理。     

切削液扰动对BTA深孔加工系统横向振动频率的影响

为探究切削液扰动下BTA深孔镗削系统横向振动频率的影响,通过建立BTA深孔镗杆系统计及内、外切削液流固耦合及其自由液面效应的横向振动模型,解析系统不同情况下的横向振动的一、二阶频率表达式,并以不同情况下,深孔镗杆内、外切削液的横截面面积及其对深孔镗杆的附加质量来表征对应的自由液面变化,通过计算,明确了BTA深孔镗杆的横向振动频率对切削液流速、轴向力的敏感性及其运动转换趋势。BTA深孔镗杆横向振动频率对轴向力的敏感性规律为:在共振脊区域,在内、外切削液都无自由液面时最大;内、外切削液都有自由液面时最小;在共振翅区域,只内切削液有自由液面时最大,内、外切削液都无自由液面时最小。BTA深孔镗杆横向振动频率对切削液流速的敏感性规律为:在共振脊区域,只内切削液有自由液面时最大,内、外切削液都无自由液面时最小;在共振翅区域,内、外切削液都无自由液面时最大,只内切削液有自由液面时最小。系统在切削液流速、轴向力达到临界等效值时,发生弯曲或屈曲;在静力失稳后,系统将会在更高的切削液流速值以混阶模态形式发生耦合颤振等复杂运动。该研究结果可为BTA深孔镗削加工的生产实践提供一定理论指导。     

盘式制动系统的非线性动力学分析

对汽车盘式制动系统建立了两自由度的非光滑动力学模型。通过数值模拟方法研究了制动盘的转速对系统动力学行为的影响。结果表明,汽车盘式制动系统存在着混沌运动和周期加倍等复杂的非线性动力学现象。     

化工管路系统的耦合振动主动控制研究

采用特征线法获得阀门启闭动作产生的水击耦合响应瞬态规律,对化工管路系统进行了主动控制研究;通过非线性优化得到阀的优化启闭规律,为了能在工程上实现,对优化启闭规律采用自适应神经模糊推理方法处理,压力幅值与最优规律的最大差值为8kPa;利用阀的ANFIS启闭规律,测试管路末端的压力下降了13.04%之多,验证了阀的启闭动作的优化能有效地降低了压力峰值,对于水击振动的主动控制有效性。     

机载多管火箭非满管射击试验方法研究

研究机载多管火箭非满管射击试验方法,为减少机载多管火箭密集度试验用弹量提供新的试验方法。应用发射动力学和多体系统传递矩阵法理论,基于等起始扰动思想,建立了机载多管火箭发射动力学模型、特征方程和动力响应方程,并应用随机整数规划方法,形成了减少机载多管火箭试验用弹量方法。针对某19管机载多管火箭,提出了6发连射的密集度试验方案,试验验证使密集度试验用弹量比常规试验方法减少了68.4%,节省了大量试验费用。