机械能量采集动力学调控方法

机械能量采集是将环境中分散和无序的低品质高熵机械能转换为电能,可以为广泛分布的传感器等低功耗电子器件供电实现自供能物联网,具有灵活、便捷、可持续和零碳环保的优势,能够广泛应用于生态环境监测、基础设施健康状态监测和设备状态监测等,是国际前沿研究热点.但是,目前机械能量采集存在输出功率低、工作频带窄、低频效果差、环境适应性差和可靠性低等制约其实际应用的关键难题.机械能量采集动力学调控方法能够改善机械能量采集系统的动力学性能,使其与特定的环境激励相匹配,提升系统的输出电学性能.文章构建了机械能量采集动力学调控方法体系,包括激励调制、非线性系统、多自由度系统、自适应控制和策略调控等方法;论述了动力学调控方法的最新研究进展,包括每类动力学调控方法的特点和典型设计;最后,总结了动力学调控方法的关键挑战,并预测了未来发展方向.为机械能量采集系统适应复杂环境激励提供了新的动力学调控视角,有益于促进机械能量采集理论与技术的发展.     

准零刚度驱动式压电低频振动能量采集方法

如何高效且经济环保地为数以万计的传感器网络节点供电,是物联网快速发展和大范围应用的瓶颈性难题.将振动能转换为电能以实现传感器自供电是物联网传感器网络节点供能的潜在方案.但是,环境振动中低频成分占比较大,而传统振动能量采集方法较难实现低频(<10 Hz)振动能量的高效转化,这限制了振动能量采集技术在物联网领域的大范围应用.文章提出了一种准零刚度驱动式压电振动能量采集装置,可将环境、人体及部分机械设备的低频振动能量高效地转化为电能.首先利用能量法得到压电俘能单元的机电耦合方程,并用谐波平衡法获得系统动力学及电学响应的解析表达式,同时对比了数值解与解析表达式的结果;进一步探究了阻尼比、激励幅值等参数对动力学响应及电学输出的影响.最后加工制备了准零刚度驱动式压电振动能量采集装置样机,搭建了实验平台,测试了系统的动力学响应与电学输出,验证了理论结果的正确性.研究结果显示当频率为2.5 Hz时,准零刚度驱动式压电振动能量采集装置中单个能量转化单元的最大峰值电压达到25 V.文章提出的准零刚度压电能量采集装置有望克服传统共振型压电能量采集装置能量采集频带依赖于能量采集系统固有频率以及多稳态能量...     

不倒翁式电磁俘能器的非线性动力学特性研究

海洋波浪能作为一种可再生能源,将其俘获并转化为电能为无线传感器持续供电,可以推动海洋环境监测的数字化改造升级.然而,海浪能的低频与随机性等特征导致其俘获难度大.不倒翁结构具有不同于传统结构的超低频振动特性,并且其对低频激励敏感的特点,可以吸收周围振动能量.为此,文章通过引入不倒翁机制与Halbach磁铁阵列,构建了磁非线性力,设计一种不倒翁式电磁俘能器,以实现提高低频波浪能的俘获效果.首先,基于拉格朗日方程建立不倒翁式电磁俘能器的理论模型,并用谐波平衡法推导了不倒翁摆角与输出电压的频率响应关系.将解析解与数值解进行对比验证.其次,探究了激励频率与幅值等参数对系统动力学行为的影响规律.最后,研制了不倒翁式电磁俘能器原理样机,搭建俘能试验平台并进行试验,验证了理论模型的正确性.研究表明:引入磁非线性力使得系统呈现刚度硬化特征,有利于提升低频俘能效率.不倒翁式电磁俘能器随激励频率与幅值的变化,呈现周期、准周期及混沌运动等复杂动力学行为.低频与大激励条件更容易造成俘能器系统的混沌运动,有利于提高俘能效果.本研究为不倒翁式电磁俘能器的设计及在低频波浪能高效俘获的应用提供了理论支持.     

面内压电振动能量采集动力学设计与性能研究

压电振动能量采集将环境中普遍存在的机械能转换为电能，可以实现自供能传感、控制与驱动，具备灵活、节能环保、可持续的优势，具有广阔的应用前景。为了促进压电振动能量采集器件的集成与融合，提出面内压电振动能量采集，将压电振动能量采集器进行扁平化设计，使其在二维平面内采集振动能量，在保证较大功率输出下能够显著减小器件所需三维空间。为了提高输出功率与工作频宽，设计了具有双稳态与力放大机制的面内压电振动能量采集器。考虑弯张小变形，通过能量法建立了面内压电振动能量采集器的机电耦合动力学模型。分析了关键设计参数对面内压电振动能量采集器性能的影响。数值仿真了面内压电振动能量采集器在简谐激励下的俘能性能，结果表明，通过合理的设计，面内压电振动能量采集器可以低频、宽频弱激励下有效俘获能量。面内压电振动能量采集设计方法有利于推动便携式、可穿戴式自供能等方面的应用和产业化。     

压电与摩擦电复合型旋转能量采集动力学协同调控机制研究

低转速激励下能量采集性能差是目前制约旋转能量采集技术应用的瓶颈问题. 本文提出了动力学协同调控机制, 并用于调控系统的动力学行为, 可以使器件在低转速激励下有效工作, 提高了旋转能量采集系统的电学性能. 旋转刚度软化、非线性磁力、几何边界的协同调控既可以增加系统在低速下的振动位移以及压电材料的形变, 也可调控系统的最大位移, 使其振动可控并限制位移过大提高可靠性. 此外, 几何边界可以方便地集成摩擦纳米发电机, 实现压电与摩擦两种机电转换机制在振动和碰撞过程中协同发电, 有效利用空间和提高输出电能. 基于哈密顿原理建立了系统的机电耦合动力学模型并进行了实验验证. 实验结果表明系统能够在0~250 r/min的低转速范围内有效工作, 在转速为250 r/min时, 压电单元和摩擦纳米发电机的最大峰峰值电压分别为132 V和1128 V, 总平均功率为1426 μW. 本文提出的动力学协同调控机制为能量采集系统动力学和电学性能改进提供新的途径, 有益于促进自供能物联网技术的发展与应用.      

风浪联合发电系统水动力学研究进展

随着化石能源枯竭和全球变暖等环境问题的日益严重,海洋可再生能源(海上风能、波浪能和潮流能)成为研究热点. 为了有效开发海洋可再生能源,降低成本,多种能源综合开发成为现阶段的趋势. 海上风能与波浪能结合具有广阔的应用前景,联合发电系统不断创新. 水动力性能是联合发电系统与波浪相互作用的重要基础. 本文简要介绍多种应用在联合发电系统上的水动力学数值模拟方法,包括线性频域、线性时域、势流非线性方法标识码基于 Navier-Stokes 方程的黏性方法,对现有文献的水动力学数值模拟方法进行综述,从计算效率和精度标识码析其优缺点,且进一步阐述水动力控制优化的技术原理与实验技术主要科研难点,为联合发电系统的水动力设计提供依据. 得到以下主要结论:从计算效率上看,线性频域方法最优,其次为线性时域、势流非线性、黏性方法,从计算精标识码,与前者恰好相反;综合考虑计算效率和精度,采用考虑黏性修正的势流方法来研究是一个切实可行的方案;模标识码方法和优化控制技术目前还不够成熟,尚处于探索阶段.      

风浪联合发电系统水动力学研究进展

随着化石能源枯竭和全球变暖等环境问题的日益严重,海洋可再生能源(海上风能、波浪能和潮流能)成为研究热点.为了有效开发海洋可再生能源,降低成本,多种能源综合开发成为现阶段的趋势.海上风能与波浪能结合具有广阔的应用前景,联合发电系统不断创新.水动力性能是联合发电系统与波浪相互作用的重要基础.本文简要介绍多种应用在联合发电系统上的水动力学数值模拟方法,包括线性频域、线性时域、势流非线性方法,以及基于Navier-Stokes方程的黏性方法,对现有文献的水动力学数值模拟方法进行综述,从计算效率和精度方面分析其优缺点,且进一步阐述水动力控制优化的技术原理与实验技术主要科研难点,为联合发电系统的水动力设计提供依据.得到以下主要结论:从计算效率上看,线性频域方法最优,其次为线性时域、势流非线性、黏性方法,从计算精度上看,与前者恰好相反;综合考虑计算效率和精度,采用考虑黏性修正的势流方法来研究是一个切实可行的方案;模型实验方法和优化控制技术目前还不够成熟,尚处于探索阶段.     

振动能量俘获专题序

振动能量俘获技术需要进行多学科交叉融合, 只有能量俘获结构与外接电路协同工作并形成自供能系统, 才能将环境或宿主结构的振动能量最终高效地转化为无线传感网络长久稳定的电能. 通过解决一些非常棘手的力学难题, 振动能量俘获系统的效率可以得到有效的提升, 这其中包括能量俘获结构设计、动力学建模、理论分析、力电耦合机理的研究等. 这是振动能量俘获技术在各个学科应用中所面临的挑战, 同时也是一个共同发展、相互促进的机遇. 通过突破振动能量俘获技术的瓶颈, 将能量俘获推向更广的商业应用平台. 为了提高振动能量俘获系统的效率及其实用性, 需要解决一些基本问题, 包括: (1)如何设计与环境或宿主结构振动特征相匹配的能量俘获结构？(2)如何建立振动能量俘获器的精确动力学模型？(3)如何揭示其中的力电耦合机理？(4)如何高效存储振动能量俘获器产生的能量？围绕上述问题, 《力学学报》组织了《振动能量俘获》这一专题. 由于篇幅限制, 该专题包含了3篇综述论文和11篇研究论文, 从侧面反映了国内科研人员在该方向上的一部分最新研究进展, 供读者参考.      

能否提前应用聚变能？

简要介绍人类目前所面临的能源问题, 之后就如何利用核能, 能否建成完全清洁核能系统, 能否提前应用聚变能展开了讨论,最后指出了中国发展能源的战略.      

磁力耦合道路能量收集设计与动力学分析

通过在交通环境布置无线传感器等小型机电系统, 实现交通状况监测、交通系统管控、交通设施健康状态监测等, 可以使交通系统更加安全、有序、高效地运行. 但是, 如何为这些广泛分布的小型机电系统供能？本文提出了一种磁力耦合道路能量收集设计, 用以收集车辆滚压能量并转换成电能. 通过磁力耦合进行无接触能量传递, 减小了装置受到的冲击并使得装置具有良好密封性, 从而提升装置的鲁棒性. 通过升频齿轮机构、棘轮机构将车辆滚压激励转换为高速单向旋转, 并且通过换向齿轮机构能够继续收集复位弹性势能, 提高了收集装置的输出功率. 基于磁力耦合道路能量收集系统的工作原理建立了机电耦合动力学模型. 数值仿真探究了减速带限位距离和复位弹簧刚度等关键设计参数对能量采集系统动力学和电学性能的影响. 能量采集系统在车速为50 km/h时最大输出电压为76.28 V, 最大功率为59.94 W. 磁力耦合道路能量收集装置可以成为未来智慧交通系统的重要组成部分, 俘获交通环境能量为交通环境中小型机电系统提供可持续的绿色无碳电力.      

振动能量采集与振动控制序

<正>振动是自然界中常见的现象,振动超过一定限度时,会对人体、设备和设施造成损伤.研究人员一般从两个方面处理振动:一方面采用振动控制技术,包括吸振、隔振、减振等,降低从振动源传输到主体的振动能量;另一方面采用能量采集技术,将振动能量转换为电能,并储存起来为低功耗电子设备供电,即能量的重新分配与利用.振动能量采集与振动控制具有相通的力学原理与方法.近年来研究者们对振动能量采集与振动控制进行了深入研究,实现自供能传感、重大装备减振降噪、自反馈振动控制等,促进我国高端智能化装备研制,助力国家“双碳”目标实现.     

轴承自供能监测的径向电磁式能量俘获建模与实验研究

无线网络和低功耗微电子技术的进步推动着设备健康监测技术的网联化和智能化发展。轴承作为旋转设备的关键部件，对国防、轨道交通、风电等重大装备的健康状态起到了非常重要的作用，实现轴承状态监测的微型化和自供能是装备智能化的重要技术基础。本文针对于轴承无线传感器网络的供能问题，提出了一种用于轴承自供能监测的径向电磁式旋转能量俘获建模方法，并通过引入环形Halbach永磁阵列增强了线圈中的磁场强度，提高了能量俘获系统的输出性能。基于磁荷理论和空间坐标变换给出了环形Halbach永磁阵列的径向磁场计算方法，进而利用电磁感应原理建立了电磁式旋转能量俘获系统的输出电压模型，仿真分析了不同参数对系统输出电压的影响。有限元仿真和不同转速下的实验结果验证了所建立模型预测输出电压的准确性，同时功率测试实验表明设计的俘能系统在1000rpm转速下可实现81.2mW的输出功率。     

潮流能开发现状、发展趋势及面临的力学问题1）

随着化石能源大规模应用导致的环境污染问题日益严重,世界各国越来越关注清洁可再生能源的开发和利用.潮流能属于海洋可再生能源,清洁无污染且资源丰富,具有良好的开发前景.21世纪以来,潮流能开发在世界范围内取得较大进步,装机规模呈上升趋势,多种潮流能转换装置进入示范研究或准商业化阶段.在此方面,人们将面临如何利用研制生产的各类转换装置提高对潮流能的利用效率这一关键力学问题.通过调研和分析,详细梳理了我国潮流能资源状况、国内外开发利用最新状况、潮流能开发利用关键技术以及潮流能利用前景,最后结合我国研究现状给出技术发展建议.主要内容包括：潮流能的生成、特点及分布,主要介绍潮流的生成、潮流能的特点、潮流能资源及分布等;潮流能开发利用发展现状,主要介绍潮流能开发利用技术研发进程、国外发展现状、国内发展现状等;潮流能开发利用关键技术,主要介绍能量捕获与转换、传动系统与发电机、潮流能发电阵列布置、海上电网构建、支撑结构等;潮流能开发利用技术研究展望,主要介绍国外潮流能技术研究的重点、我国潮流能技术研究的重点等;我国潮流能开发利用的建议;最后是前景展望.     

潮流能开发现状、发展趋势及面临的力学问题

随着化石能源大规模应用导致的环境污染问题日益严重,世界各国越来越关注清洁可再生能源的开发和利用.潮流能属于海洋可再生能源,清洁无污染且资源丰富,具有良好的开发前景.21世纪以来,潮流能开发在世界范围内取得较大进步,装机规模呈上升趋势,多种潮流能转换装置进入示范研究或准商业化阶段.在此方面,人们将面临如何利用研制生产的各类转换装置提高对潮流能的利用效率这一关键力学问题.通过调研和分析,详细梳理了我国潮流能资源状况、国内外开发利用最新状况、潮流能开发利用关键技术以及潮流能利用前景,最后结合我国研究现状给出技术发展建议.主要内容包括:潮流能的生成、特点及分布,主要介绍潮流的生成、潮流能的特点、潮流能资源及分布等;潮流能开发利用发展现状,主要介绍潮流能开发利用技术研发进程、国外发展现状、国内发展现状等;潮流能开发利用关键技术,主要介绍能量捕获与转换、传动系统与发电机、潮流能发电阵列布置、海上电网构建、支撑结构等;潮流能开发利用技术研究展望,主要介绍国外潮流能技术研究的重点、我国潮流能技术研究的重点等;我国潮流能开发利用的建议;最后是前景展望.      

粘性基底上溅射薄膜褶皱的边界效应研究

复杂的表面微结构在自然界中普遍存在,它们赋予生物组织优异的物化功能.受此启发,各类仿生结构在工程领域(如微机电系统、能源材料、生物传感等)得到了广泛应用.论文利用磁控溅射技术在粘性的胶体基底上沉积金属铁薄膜,研究了薄膜中自发形成的褶皱结构,重点分析了约束边界和膜厚梯度边界对褶皱形貌的调控效应.实验发现,随着膜厚的增加,...     

翼型颤振压电俘能器的输出特性研究

压电俘能器能够为自然界中低功率的微机电系统持续供能. 为了模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动和有效俘获气动弹性振动能量, 本文提出一种新颖的翼型颤振压电俘能器. 基于非定常气动力模型, 推导翼型颤振压电俘能器流?固?电耦合场的数学模型. 建立有限元模型, 模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动, 获得机翼附近的涡旋脱落和流场特性. 搭建风洞实验系统, 制作压电俘能器样机. 利用实验验证理论和仿真模型的正确性, 仿真分析压电俘能器结构参数对其气动弹性振动响应和俘获性能的影响. 结果表明: 理论分析、仿真模拟和实验研究获得的输出电压具有较好的一致性, 验证建立数学和仿真模型的正确性. 仿真分析获得机翼附近的压力场变化云图, 表明交替的压力差驱动机翼发生二自由度沉浮?俯仰运动. 当风速超过颤振起始速度时, 压电俘能器发生颤振, 并表现为极限环振荡. 当偏心距为0.3和风速为16 m/s时, 可获得最大输出电压为17.88 V和输出功率为1.278 mW. 功率密度为7.99 mW/cm3, 相比较于其他压电俘能器, 能实现优越的俘获性能. 研究结果对设计更高效的翼型颤振压电俘能器提供重要的指导意义.      

海洋电缆中关键力学问题的研究进展与展望

海洋能源是当今世界各国竞相开发的关键领域. 海洋电缆是连接海洋能源生产系统各设施的能源传输、生产控制的关键装备之一, 被誉为海洋能源开发的“生命线”. 如何设计海洋电缆能够抵抗极端海洋灾害, 同时满足安装、服役中弯曲柔顺性的要求, 实现“刚柔并济”的结构性能, 是海洋能源开发领域亟待解决的核心难题. 本文围绕海洋电缆多构件、多层螺旋缠绕的结构特点, 全面总结了海洋电缆设计、分析及测试领域关键力学问题的研究进展. 首先, 针对海洋电缆结构的理论分析, 阐述了拉伸、扭转和弯曲刚度的基本理论以及拉扭耦合和非线性弯曲行为研究进展. 其次, 介绍了数值仿真方法在海洋电缆工程中的应用, 特别介绍了海洋电缆数值分析专业软件方面的研究成果. 再次, 探讨了海洋电缆多场耦合分析、结构优化设计和疲劳寿命的计算方法. 最后详细介绍了海洋电缆结构的实验测试技术和测试装备. 本文通过对海洋电缆研究方法和研究热点的详细综述, 揭示了该领域的主要研究方法和关键技术难点, 并展望了海洋电缆未来发展的主要技术需求和研究方向. 上述工作对海洋电缆在我国海洋油气能源开发中的高可靠性工程应用提供了基础理论和技术参考.      

一种基于压电扫描的新型微梁阵列免疫传感器

微梁免疫传感技术是在原子力显微镜和微机电系统基础上发展起来的一项新兴传感技术,具有检测灵敏度高、无需标记、能实时原位再现生化反应过程等优点。本文针对单梁传感系统中存在的环境扰动和不能多通道检测等问题进行改进,设计制作了一种基于压电扫描的新型微梁阵列免疫传感器。利用商品化微梁阵列对传感器进行了温度测试实验,所得信号曲线稳定一致,且检测灵敏度达到2nm,实验结果验证了该微梁阵列传感系统在多通道信号检测中的可行性,为微梁阵列生化传感技术的实现提供了一种新的方案。     

输电导线舞动特性分析及监测系统Ⅱ

为解决传统的导线舞动监测方法安装复杂、施工难度高、监测受限、数据精度往往过低等问题,提出了基于九轴惯性组合传感监测技术,建立了输电线路舞动力学模型,对舞动线路进行受力分析。通过对导线舞动监测系统进行设计,建立了一套完整的导线舞动监测装置。现场应用和数据结果验证了该系统的可行性,与传统系统相比,九轴惯性组合传感监测系统能有效提高数据精度,提高可靠度,减小施工难度,可监测多种数据,该系统具有很好的推广前景,对提高输电线路舞动监测的实时性具有重要意义。     

基于LQG最优控制法的压电智能结构独立模态空间控制

采用压电材料作为传感器和驱动器对智能结构振动主动控制进行研究,基于机电耦合的压电智能结构传感和驱动方程,将振动控制动力学方程变换到模态空间对方程进行解耦。通过计算结构最大应变,确定压电元件的最佳粘贴位置。考虑到系统过程噪声和量测噪声的影响,设计Kalman滤波器,采用基于线性二次型高斯(LQG)最优控制的独立模态空间控制方法对压电智能结构的振动进行控制。最后以压电智能悬臂梁为例进行控制仿真,验证了此方法的有效性。