纯剪切模式介电弹性体发电机发电特性

为研究介电弹性体发电机的发电特性,基于COMSOL有限元软件建立了在纯剪切拉伸方式下的介电弹性体发电机有限元仿真机电耦合模型。该模型基于Yeoh超弹性材料本构,同时耦合发电机膜内静电力,根据可变电容理论对发电机电容变化及发电效果进行研究。设计了可Y向预拉伸的纯剪切拉伸装置,并在不同预拉伸条件下对发电机薄膜样本进行了拉伸实验,分析了其电容变化及发电效果。对比了仿真数据与实验结果,仿真模型的电容变化与实验测得的电容变化情况基本吻合,仿真模型一个周期内的输出电压变化与实验测得的电压变化基本吻合。实验及仿真结果表明,在相同的拉伸条件下,Y向预拉伸增大了初始电容及电容变化速率,且当Y向预拉伸λ=1时的上升电压为83V,而λ=2时的上升电压达到252V,改善了发电性能。本文提出的介电弹性体发电机新的研究方法为发电机样机设计提供了新的思路。     

形状记忆合金温控的磁流变液自发电传动研究

介绍了形状记忆合金温控的磁流变液自发电传动工作原理;基于形状记忆合金的温度力学特性,建立温度与形状记忆合金温控开关输出行程的关系式。基于发电机输出特性和形状记忆合金弹簧的力学特性分析,建立了温度与输出转速和输出电流的关系,并根据自发电原理建立了磁感应强度和温控开关电阻与发电机参数关系式。基于黏温方程,建立温度与输出转矩关系式。研究结果表明,弹簧输出行程、输出电流、输出转矩和输出转速随着温度的变化而变化;根据建立的损耗功率关系式,对比普通磁流变风扇离合器,在通常工作温度范围内,自发电传动装置损耗的功率更小。     

EAP机械能转化为电能实验台系统软件设计与开发

EAP是一种电场活性聚合物,具有驱动和发电两种模式,因其自身具有的变形量大、比能量高等优势受到了广泛关注。为了分析EAP机械能转化为电能的影响因素,对介电弹性体发电原理进行分析,并搭建了EAP机械能转化为电能的实验方案。根据实验方案对EAP机械能转化为电能实验台系统软件进行设计与开发,通过VB界面可以实现EAP拉伸速度、拉伸长度以及拉伸循环次数控制,电容变化数据采集,弹性薄膜表面张力数据收集等,从而为后续EAP机械能转化为电能的影响因素实验研究提供支持。     

压电纤维复合材料的力电耦合特性计算与试验

本文研究了压电纤维复合材料(MFC)受载状态下的基础力学性能及力电耦合特性。首先,基于热力学原理对MFC材料压电方程进行了推导,通过简化处理建立了适用于工程计算的MFC材料的力电耦合特性数学模型。随后,设计了一套MFC材料标准试验件的加载与测试系统及试验方案,可在不同加载状态下测量MFC试验件的力学和电学数据,获得压电方程参数。最后,利用该试验系统,通过加电、加载试验测取了试验数据,建立了MFC材料标准试验件的力电耦合特性数学模型(一阶和二阶压电方程),分析与对比了MFC材料标称模型与一阶、二阶压电方程模型的差异。试验结果表明,相较材料的标称模型,采用本文获得的力电耦合模型能够更精准地描述材料的应变规律,应变的最大预测误差可由标称模型约30%降至约7%(线性方程)和3%(二阶方程)。     

浅水域探测型无人水下航行器波浪能发电系统设计

为了实现浅水域探测型无人水下航行器(Unmanned underwater vehicle,UUV)探测设备水下长时间工作,提出波浪能发电系统,可以将近水面的波浪能收集转化为电能。详细叙述永磁发电机的原理结构及设计参数;根据Lagrange方程建立系统的数学模型;采用Runge-Kutta方法求解简化的运动方程,研究不同海况条件下对发电性能的影响。研究结果表明提出的波浪能发电系统是合理可行的,在一般海况下,能够满足探测设备的能源需求。同时表明频率与幅度以及耦合横摇对发电性能影响比较大,而耦合垂荡对其影响基本可以忽略。研究结果将为后期波浪能发电系统的工程试验提供一定的理论依据。     

介电型电活性聚合物的发电特性研究

介电型电活性聚合物(Dielectric electroactive polymer,简称DEAP)作为一种新型智能材料,可与风力、水力结合作为一种新型的电能获取形式,将机械能转换为电能。分析DEAP发电机理、发电过程,比较恒电荷、恒电压、恒电场三种工作形式,确定选择恒电荷工作形式。讨论DEAP薄膜的发电机理和工作过程,分析了DEAP换能器的能量转换关系。基于建立的换能器模型,计算出一个工作循环换能器的发电量、输入的机械功和机电能量转换效率,同时确定初始电压、拉伸位移是影响发电量、能量转换效率的主要因素。并对此进行试验研究,试验结果验证了理论分析的准确性。     

基于弹塑性形变理论的拼焊板平面应力状态本构关系研究

从拼焊板成形过程4个基本理论假设出发建立其平面应力状态力学模型,根据金属板料弹塑性形变理论、Hill48屈服准则及金属塑性变形功原理导出拼焊板成形过程中厚、薄两侧母材应变分布状态相互依赖关系的隐式方程,并结合弹塑性理论的3个关系式建立了拼焊板在平面应力状态下的本构关系;采用通过实验验证的差厚拼焊板单向拉伸有限元模型分析了沿焊缝两侧母材的应力应变分布,且将仿真结果中厚板侧母材的两个面主应变分量作为前述本构关系已知条件,用数值方法求解出薄板侧母材的面内主应变与主应力分量,将其与相应仿真结果进行对比.对比结果表明,理论计算数值与仿真结果较为吻合,从而证明了拼焊板平面应力状态本构关系的正确性,为深入研究拼焊板冲压成形机理奠定了理论基础.     

基于电活性聚合物薄膜柔性器件的触觉传感特性

针对电活性聚合物(EAP)薄膜制造柔性智能器件的发展要求,分析了电活性聚合物薄膜的正/逆力-电特性及发电机理,采用静电诱导自组装技术在电活性聚合物表面制备了碳纳米管薄膜电极,然后构建了柔性传感器件。实验研究了EAP柔性器件的手指关节弯曲姿态及脚踏运动触觉的传感特性。扫描电子显微(SEM)形貌观察表明:碳纳米管薄膜呈网状结构且质地致密均匀。基于EAP柔性器件的手指弯曲姿态实验结果表明:在手指弯曲度为15~90°时,输出电压峰值为1.2~3.7V,展示了输出电压峰值与手指弯曲度之间的高线性度,线性相关系数为0.9951。此外,采用EAP薄膜器件对踏步触觉进行了实验测试,其输出电压峰值在1V左右,而且具有响应快、可重复性好等优势。本文的研究为电活性聚合物薄膜型电子皮肤及触觉传感器的发展提供了理论基础和实验依据。     

基于最小能量法的高速切削锯齿状切屑变形分析

以高速切削典型变形特征为研究对象,建立了锯齿状切屑的几何模型。根据高速切削绝热剪切理论,通过对剪切面相对滑移失稳瞬间的切屑块受力平衡分析建立力学模型和运动学模型,获得切屑摩擦力和剪切力及剪切速度和切屑流动速度,并确定了切削能量方程。在考虑应变、应变率、切削温度和变形硬化因素条件下按最小能量原理求变形方程,结合变形曲线的分析和切削理论确定了高速切削变形方程及影响变形的因素。分析结果表明,切屑锯齿化是塑性变形超过临界失稳条件的结果。     

球壳形介电弹性体驱动器电致应变特性分析

介电弹性体是电场型电活性聚合物的一种,能够在外加电场的作用下,通过材料内部结构的改变发生伸缩、弯曲、束紧或膨胀等变形,人为控制电压的大小,精确控制变形.基于Neo-Hookean应变能模型,采用ABAQUS有限元软件,开展了材质为丙烯酸聚合物的球壳形介电弹性体驱动器在机电载荷作用下的力学性能有限元模拟,分别分析了无机械预拉伸和有机械预拉伸条件下电致应变特性,进行了球壳形介电弹性体驱动器机电耦合特性的有限元仿真分析,为球壳状介电弹性体驱动器的力电特性、变形失效、稳定性的进一步研究提供了一定的理论依据.     

振荡扑翼波浪能发电装置系统建模与仿真

为了实现波浪能的采集与高效转换,提出一种振荡扑翼波浪能发电装置,通过采集机构、液压转换系统和电能变换及储能系统将随机波浪能转换为稳定的电能。基于扑翼与波浪耦合受力分析,设计波浪能采集机构方案;为了能量高效转换和保证液压系统稳定性,创成一种含多腔液压缸的液压转换系统;根据储能单元的额定电能需求,进行电能变换及储能系统方案设计与元件参数计算;基于多能域键合图理论和AMESim仿真软件,建立包括机-液-电的整体虚拟样机仿真模型;搭建仿振荡扑翼波浪能发电装置试验平台,模拟规则波浪进行试验,验证系统的有效性。研究结果表明,在三级海况和四级海况下振荡扑翼波浪能发电装置发电效率分别可以达到61.5%和66.2%,能够有效采集波浪能,实现电能的稳定输出并储存到蓄电池中。试验结果证明了振荡扑翼波浪能发电装置工作原理和参数设计的合理性。研究结果为波浪能发电装置的设计与开发提供了理论基础与参考。     

介电型电活性聚合物圆柱形驱动器的驱动效率

研究了介电型电活性聚合物(DEAP)驱动器的机电能量转换机理、能量损耗和驱动效率。建立了驱动器机电能量转换模型,并通过试验测算了驱动器等效电路的模型参数,分析了电极材料等因素对DEAP相对介电常数的影响。深入研究了驱动器漏电流损耗,试验验证了漏电流对驱动器性能的影响。最后,设计了驱动器驱动试验台,完成了不同行程的准静态驱动试验,数值计算了驱动器的驱动效率。结果表明:由于等效电路电容未参与能量转换,驱动器机电转换效率分别为17.6%和25.6%。低电压、小行程驱动时,试验误差与理论分析误差不超过15%;而高电压、大行程驱动时,DEAP膜的漏电流等非线性因素使其驱动效率变化明显。该结果可为DEAP圆柱形驱动器的优化设计及合理使用提供指导。     

微小型压缩空气储能系统研究

风能、太阳能等可再生能源的非稳定输出特性对电网系统的安全运行影响很大。储能系统不仅可以调节电网负荷提高供电品质,而且可以作为应急电源。本文对不同储能方式进行了分析,研究了储存压力和流量等运行参数对微小型压缩空气储能系统输出功率与运行效率的影响,提出了风电单元配置微小型压缩空气储能系统的调控方案和需解决的关键技术,对储能系统发展和提高电网安全运行有参考意义。     

移动健身发电器材的设计

设计了一款集健身与发电于一体的移动健身发电器材。这一设备可以在健身锻炼的同时,将运动能量转换为电能进行储存,或向其它用电设备提供电力。介绍了这一移动健身发电器材的结构、运动发电方式、变速装置与手摇发电机构,给出了基本参数,并进行了效率计算。这一移动健身发电器材具有多功能、可移动、绿色环保等特点。     

DEAP换能器的能量转换研究

DEAP是一种介电型电活性聚合物,具有能量密度高、应变大等优点。利用DEAP膜设计实现了一圆环形换能器,研究分析了换能器一个工作循环内的能量转换,最后利用Abaqus有限元软件分析了换能器工作循环过程。结果表明:在偏置电压为1 500 V时输入的机械能为40.75 mJ,转换得到的电能为7.03 mJ,机械能转换效率为17.3%。     

基于改进应变能密度法的电动轮自卸车车架焊缝疲劳寿命预测

针对复杂载荷作用下焊接结构应力应变响应出现非完全封闭而交叉的现象,考虑封闭环以外的塑性应变能密度,提出了一种改进的应变能密度计算方法。通过设计制作对接接头试验试件,开展了焊接接头机械性能和疲劳试验研究,获取了Ramberg|Osgood方程参量并构建了基于总应变能密度的疲劳损伤模型。建立了电动轮自卸车车架有限元模型,开展了车架焊缝多载荷步非线性有限元分析。结合新方法和数值模拟得到的应力应变响应计算危险点各应变能密度,依据拟合的疲劳损伤模型进行寿命预测,计算结果与实际失效位置和开裂时间吻合较好。     

Novel approach to the semi-empirical universal theory for secondary electron yield

The universal semi-empirical equation has been commonly used to quantitatively describe the energy dependence of the secondary electron yield (SEY). It is even used as a first reliability test for experimental data. The equation is based on the assumption that the stopping power is constant along the electron trajectory. In this article, we derive a novel analytical expression based on a more advanced model which considers linear stopping power dependence on penetration depth. Although coinciding with the universal equation at low energies, the novel function has lower intensity in the higher energy range. The models were compared with experimental SEY data of different metals, taken from literature, as well as freshly cleaved highly oriented pyrolytic graphite, measured in the frame of this work. It is confirmed that the novel expression better describes the experimental data.     

分布式发电系统中的蓄电池模型

简要介绍了分布式发电系统的现状,分析了储能在分布式发电系统中的作用。着重介绍了蓄电池储能系统,并且根据分布式发电系统自身的特点,结合Shepherd方程和Peukert经验公式提出了基于VisualC 软件开发的蓄电池模型。     

基于微液滴介质和差分电容器的静电式微型振动发电机

针对现有悬臂梁式微型振动发电机存在低频响应不敏感,抗冲击能力差等问题,提出了一种利用微液滴介质拾振实现差分电容器变化及电荷转移的静电式微型振动发电机新结构.根据驻极体模型,推导出了差分电容器极板的电荷分布公式;结合微液滴作受迫正弦振动假设,建立了静电式微型振动发电机的数学模型.采用COMSOL Multiphysics软件对微液滴运动及电容器极板电荷分布进行了仿真,得到了发电机的输出电压幅频特性.制作出了以汞为介质的静电式微型振动发电机样机,进行了样机的性能测试.实验结果表明:该静电式微型振动发电机共振频率为3 Hz,在加速度为3 9、振动激励频率为3 Hz,负载为1 MΩ时,测得样机输出电压峰-峰值为1.21V,输出功率为0.73 μW,实现了环境中低频振动能量的获取与转换.     

基于塑性应变能的涡轮盘多轴疲劳寿命预测方法

在分析疲劳裂纹产生机理的基础上,将塑性应变能和临界平面结合起来,同时引入剪应变能比例因子,提出一种新的多轴损伤参量,通过试棒单轴低循环疲劳试验应力应变曲线得到总的塑性应变能,进而得到一种新的多轴疲劳寿命预测模型。通过对比分析,得到了最佳剪应变能比例因子。使用该模型、Chen-Xu-Huang(CXH)模型、Liu-Wang(LW)模型对某型发动机涡轮盘销钉孔低循环疲劳寿命进行预测,并与真盘试验结果进行对比。结果表明,该多轴疲劳寿命预测模型预测误差为20.5%,优于CXH和LW模型。