非线性磁式压电振动能量采集系统建模与分析

为便于评价、优化磁式压电振动能量采集系统的性能,系统研究了该类系统的建模与分析方法,建立了非线性的分布参数模型用于描述系统的非线性动力学行为,并采用谐波平衡法给出了谐波响应的解析解.随后利用仿真模型分析了磁铁间距、加速度幅值、负载阻抗对输出功率的影响,比较了不同激励频率和加速度幅值下的最优阻抗.结果表明:双稳态特性适用于低强度的振动环境,且愈接近临界区域,输出功率愈高,而单稳态渐硬特性适用于高强度振动环境,其最优间距并不靠近临界区域;阱间大幅运动和阱内小幅运动均存在高低能量态共存的现象,愈接近临界区域,现象愈明显;激振频率是影响最优负载阻抗的决定性因素.     

不同荷载下高温超导磁悬浮系统的动态响应

针对YBCO块材和NdFeB永磁体构成的高温超导磁悬浮系统,研究了永磁体在不同荷载时系统的动态响应特性.实验结果表明,当振动频率较低时,悬浮系统动态响应与外加激励信号一致,外加荷载的改变对系统响应基本无影响.随着频率的增加,外加荷载对系统的影响明显增强.荷载越大,系统的抗干扰能力越强.这对高温超导磁悬浮系统的应用有一定...     

随机激励下双稳态压电俘能系统的相干共振及实验验证

随着压电晶体材料的迅速发展, 基于压电效应的能量采集系统是俘获环境中的宽带随机振动能量的一种有效途径. 研究了有限宽带随机激励作用下, 磁斥力双稳态压电俘能系统的相干共振俘能机理, 并进行了实验验证. 运用Euler-Maruyama方法求解了随机非线性压电振动耦合方程, 比较分析了相干共振发生前后系统的动力学特性和俘能效率, 然后基于Kramers逃逸速率解释了相干共振. 最后的随机振动实验结果验证了双稳态压电俘能系统的相干共振俘能机理. 并且观察到: 当相干共振发生时, 系统会在两个势能阱之间剧烈运动, 此时宽带随机振动能量会被转化为大幅值窄带低频振动响应, 从而极大地提高了宽带随机振动能量的俘获效率.     

采用磁电换能器的振动能量采集器

采用磁致伸缩/压电层合磁电换能器设计了一个振动能量采集器,该能量采集器采用悬臂梁作为振动敏感机构,并用四个NdFeB磁铁组成磁路放在悬臂梁末端.该磁路在空气隙中产生梯度较大的非均匀磁场,使得磁电换能器在较小的振动下感应到较大的磁场变化量,输出较高的功率.利用等效磁荷理论,分析了空气隙磁场分布以及振动时磁路受到的磁力,并用林斯泰特-庞加莱法研究了能量采集器的非线性振动特性,同时将能量采集器的振动方程和换能器的磁电特性结合,分析了能量采集器谐振时的机-磁-电转换特性.通过实验表明：理论与实验符合得较好,且在加 关键词： 振动能量采集 磁致伸缩/压电层合材料 机磁电转换 非线性振动     

轴向加速运动黏弹性梁受迫振动中的混沌动力学

研究了黏弹性轴向运动梁在外部激励和参数激励共同作用下横向振动的混沌非线性动力学行为. 引入有限支撑刚度, 并考虑黏弹性本构关系取物质导数, 同时计入由梁轴向加速度引起的沿径向变化的轴力, 建立轴向运动黏弹性梁横向非线性振动的偏微分-积分模型. 通过Galerkin截断方法研究了外部激励的频率和因速度简谐脉动引起的参数激励的频率在不可通约关系时轴向运动连续体的非线性动力学行为, 并对不同截断阶数的数值预测进行了对比. 基于对控制方程的Galerkin截断, 得到离散化的常微分方程组, 使用四阶Runge-Kutta方法求解. 基于此数值解, 运用非线性动力学时间序列分析方法, 通过Poincaré 映射, 观察到轴向运动梁随扰动速度幅值的倍周期分岔现象, 并比较了有无外部激励对倍周期分岔的影响. 分别在低速以及近临界高速运动状态下, 从相平面图、Poincaré 映射以及频谱分析的角度识别了系统中存在的准周期运动形态. 关键词： 轴向运动梁 非线性 混沌 分岔     

声速测定实验中超声换能器的非线性行为

在声速测定实验中,通过频谱分析、幅频特性曲线和相图,研究了发射和接收超声换能器在不同频率的驱动下从线性状态转变成非线性状态的过程,观察了超声换能器表现出的准周期态、倍频现象、磁滞和双稳态现象等丰富的动力学行为.     

基于磁悬浮作动器的自适应有源振动控制研究

针对周期扰动提出一种基于磁悬浮作动器的非线性前馈自适应有源振动控制算法。算法中将磁悬浮作动器视为具有时变非线性的单输入输出系统,并使用径向基函数神经网络进行控制,分别采用聚类算法和随机梯度算法对其隐层中心点和输出层权值进行自适应调整。该算法摆脱了传统磁悬浮控制对模型的依赖,在正常工作条件下不需对作动器建模。仿真和实验结果表明:在单自由度主动隔振系统中,非线性自适应算法可以显著降低周期振动的能量,同时能对磁悬浮作动器的时变非线性进行有效的补偿。      

外应力对铁磁/反铁磁体系交换偏置的影响及阶跃现象

采用能量极小原理及S-W模型研究了外应力对铁磁/反铁磁（FM/AFM）双层薄膜体系交换偏置的影响.不施加外磁场时,根据能量与铁磁层磁化强度方向之间的关系,指出体系存在单稳态和双稳态两种不同的状态,是由交换各向异性与单轴各向异性之间的竞争控制的.体系处于单稳态还是双稳态直接决定着交换偏置的角度依赖关系.分析磁化过程发现,外磁场沿内禀易轴及内禀难轴方向施加时,磁滞回线的一支转换场发生突变,而另一支转换场则保持不变,最终导致交换偏置场和矫顽场出现阶跃行为.数值计算表明,交换偏置场和矫顽场在阶跃点均具有较大的数值 关键词： 单稳态 双稳态 外应力     

试样激励下轻敲模式原子力声显微镜的非线性动力学特性

利用Euler-Bernoulli梁理论和DMT针尖-样品作用力模型建立了试样激励下轻敲模式原子力声显微镜(AFAM)系统的动力学方程,并应用非线性动力学分析方法对AFAM微悬臂梁的振动特性进行研究。通过合理改变超声激励幅值、超声激励频率和针尖-样品初始间距等模型参数模拟得到微悬臂梁的超谐波、次谐波、准周期和混沌振动现象,采用时间序列、频谱、相空间、Poincare截面和Lyapunov指数等方法对不同非线性振动特性进行表征。通过分析不同模型参数条件下微悬臂梁针尖-样品作用力特性,探索了微悬臂梁不同非线性振动现象的产生机制。此外,研究了AFAM微悬臂梁运动的分岔特性,发现当超声激励幅值和针尖-样品初始间隙连续变化时,周期、准周期和混沌运动交替出现。研究结果对AFAM系统非线性动力学行为分析和混沌振动控制提供了理论参考。      

双稳态压电悬臂梁发电系统的动力学建模及分析

针对双稳态压电悬臂梁发电系统进行了动力学建模与分析.首先建立了能引发系统双稳态现象的磁力模型,给出了两磁铁之间磁力的数学表达式;其次建立了压电悬臂梁发电系统的集中参数模型,得到了系统发生双稳态现象时磁铁之间的距离范围;通过数值计算分析了系统的响应特性,发现双稳态运动大大提高了系统的频率响应范围,并且系统在低激励频率和低激励幅值下能发生大幅运动,而激励幅值越大,系统具有越高的能量逃离势阱产生大幅运动;最后通过实验对数值计算结果进行了验证.研究结果为双稳态压电悬臂梁发电系统的设计与应用提供了理论依据.     

Geometrically nonlinear dynamic response of stiffened plates with moving boundary conditions

An approach is presented to investigate the nonlinear vibration of stiffened plates. A stiffened plate is divided into one plate and some stiffeners, with the plate considered to be geometrically nonlinear, and the stiffeners taken as Euler beams. Lagrange equation and modal superposition method are used to derive the dynamic equilibrium equations of the stiffened plate according to energy of the system. Besides, the effect caused by boundary movement is transformed into equivalent excitations. The first approximation solution of the non-resonance is obtained by means of the method of multiple scales. The primary parametric resonance and primary resonance of the stiffened plate are studied by using the same method. The accuracy of the method is validated by comparing the results with those of finite element analysis via ANSYS. Numerical examples for different stiffened plates are presented to discuss the steady response of the non-resonance and the amplitude-frequency relationship of the primary parametric resonance and primary resonance. In addition, the analysis on how the damping coefficients and the transverse excitations influence amplitude-frequency curves is also carried out. Some nonlinear vibration characteristics of stiffened plates are obtained, which are useful for engineering design.     

Low temperature magnetization of graphite in magnetic fields up to 150 kG

The c-axis magnetisation of pyrolytic graphite at 4.2 K has been measured in fields up to 150 kG. Contrary to the predictions of a recent calculation, graphite remains diamagnetic in the ultra-quantum region.     

Stable diamagnetic self-levitation of a micro-magnet by improvement of its magnetic gradients

A disc-shaped SmCo magnet with a diameter of 0.85 mm is levitated above a graphite diamagnetic plate at a height of about 14 μm. The magnet is magnetised into a double dipole. The levitation of multipolar magnets above a diamagnetic material was suggested in 1956 by Boerdijk and patented in 1995 by Pelrine, but without any known published experimental results. In this letter, both theoretical and experimental results are presented.     

Defects in graphite may be magnetic and magnetostrictive as revealed by scanning tunneling microscopy

We use scanning tunneling microscopy to measure magnetic field induced strains in highly oriented pyrolytic graphite. This is done by using a scanning tunneling microscope with some magnetic components, which however do not produce an observable response within our resolution in the case of pure (99.999%) paramagnetic or diamagnetic metals (at the low field strengths applied). We study also ferromagnetic metals with this method for comparison. We find a relatively large (similar to that of permalloy) magnetostrictive response of graphite for the low applied field. The data shows saturation of the strain and also that the strain observed is localized and is not the cumulative strain from the mounted edge of the sample to the position of measurement, implying that volume is not conserved with the strains. We believe that the observed strains correspond to a signal of a ferromagnetic material and in this case may be due to the defects observed on the graphite planes.Received: 25 May 2004, Published online: 24 September 2004PACS: 68.37.Ef Scanning tunneling microscopy (including chemistry induced with STM) - 75.80. + q Magnetomechanical and magnetoelectric effects, magnetostriction - 81.05.Uw Carbon, diamond, graphite     

一种采用双换能器和摆式结构的宽频振动能量采集器

针对悬臂梁振动能量采集器在大振幅振动下梁容易断裂的缺点,本文提出了一种基于摆式结构的具有宽频和倍频特性的振动能量采集器,该采集器由两个Terfenol-D/PMN-PT/Terfenol-D磁电换能器和嵌有六个磁铁的旋转摆构成.文中建立了摆式结构的摆动方程,分析了采集器的频率响应特性以及谐振时的机-磁-电转换特性,并对采集器输出电压波形进行了频谱分析.理论和实验研究表明:该采集器具有宽频和倍频特性,采集器样机在1 g(1 g=9.8 m/s~2)有效值加速度振动下,向下扫频时的半功率带宽达到4.8 Hz,且能在f=16.9 Hz的振动下获得3.569 mW的负载功率.利用双换能器以及采集器的倍频和宽频特性,能有效地提高低频时采集器的输出功率.     

带碰撞双稳态压电俘能系统的俘能特性研究

双稳态俘能系统的运动常常会陷入单个势能阱中, 导致俘能效率降低. 为了解决这个问题, 本文提出了一类带碰撞的磁斥力双稳态压电振动能量采集系统. 建立了该碰撞双稳态系统的机电耦合方程, 分析了碰撞对双稳态系统动力学特性的影响. 研究了确定性激励和低强度随机激励下碰撞对系统响应特性和俘能效率的影响. 结果表明: 简谐激励下, 碰撞能够使得原双稳态系统的单阱小幅周期运动转变为双阱间的大幅运动, 从而有效地提高输出功率. 得到了低强度随机激励下, 不同碰撞间隙对系统动力响应特性和输出功率的影响规律. 对一个给定的随机激励, 存在一个最优的碰撞间隙, 此时碰撞能够将原双稳态系统单阱内的随机运动转化为频繁的双阱跳跃, 出现大幅值运动, 从而大幅提高了系统的俘能效率.     

多极超导扭摆器磁体磁场设计

上海光源二期工程建设计划研制一台多极超导扭摆器用于生物医学的X射线成像及治疗。该多极超导扭摆器由21对NbTi超导线圈组成,磁极气隙为22mm,在储存环束流电子能量为3.5GeV时其特征能量为33keV,覆盖的能量范围为20keV到120keV,可用于K边吸收成像、衍射增强成像、相衬成像、CT和微束放射治疗。文中的主要内容为一个具有21个磁极,周期长度为140mm,气隙中心磁感应强度为4.2T的多极超导扭摆器的磁场设计,包括磁极和线圈的参数设计、端部结构和周期磁场的积分场设计,以及简要的超导线圈应力应变分析。