附磁压电悬臂梁流致振动俘能特性分析

流致振动蕴含巨大的能量, 本文基于流致振动理论,设计了一种附加磁力激励的压电悬臂梁流致振动俘能器,并通过理论和实验研究其振动俘能特性.该俘能器由压电悬臂梁、圆柱绕流体和磁铁组成;首先基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了流致振动附磁压电俘能器的能量函数,利用Hamilton原理建立了流致振动附磁压电俘能器的机电耦合方程;利用数值方法研究详细分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等系统参数对压电俘能器振动特性和输出电压的影响.分析结果表明, 该型压电俘能器的振动幅值在低流速条件下产生涡激振动,并产生最大的输出电压;磁力可以降低压电俘能器的共振频率并能够拓宽压电俘能器频带带宽,因此,附磁压电俘能器具有相比没有附磁的压电俘能器更适用于低速层流环境;实验结果与数值结果吻合较好,验证了附磁压电悬臂梁流致振动俘能器的理论分析的正确性.      

附磁压电悬臂梁流致振动俘能特性分析

流致振动蕴含巨大的能量,本文基于流致振动理论,设计了一种附加磁力激励的压电悬臂梁流致振动俘能器,并通过理论和实验研究其振动俘能特性.该俘能器由压电悬臂梁、圆柱绕流体和磁铁组成;首先基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了流致振动附磁压电俘能器的能量函数,利用Hamilton原理建立了流致振动附磁压电俘能器的机电耦合方程;利用数值方法研究详细分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等系统参数对压电俘能器振动特性和输出电压的影响.分析结果表明,该型压电俘能器的振动幅值在低流速条件下产生涡激振动,并产生最大的输出电压;磁力可以降低压电俘能器的共振频率并能够拓宽压电俘能器频带带宽,因此,附磁压电俘能器具有相比没有附磁的压电俘能器更适用于低速层流环境;实验结果与数值结果吻合较好,验证了附磁压电悬臂梁流致振动俘能器的理论分析的正确性.     

线形?拱形组合梁式三稳态压电俘能器动力学特性研究

利用振动能量俘获技术将设备工况振动能转化为电能, 为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路. 通过引入非线性磁力设计了一种线形?拱形组合梁式三稳态压电俘能器, 分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规律. 利用磁偶极子法建立磁力模型, 通过实验测量线形?拱形组合梁的恢复力, 并采用多项式拟合得到恢复力模型, 基于欧拉?伯努利梁理论和拉格朗日方程建立系统的动力学模型, 从时域角度仿真分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对系统动力学特性的影响规律. 研制线形?拱形组合梁式三稳态压电俘能器样机并搭建实验平台进行实验研究, 通过采集组合梁末端响应速度数据, 验证了理论分析的正确性. 研究表明: 引入非线性磁场能够使系统势能呈现单势阱、双势阱或三势阱, 激励一定时, 调整磁铁水平间距和垂直间距能够使系统实现单稳态、双稳态或三稳态运动, 且在三稳态运动时响应位移较大, 增大激励水平有利于系统越过势垒实现大幅响应. 研究为线形?拱形组合梁式三稳态压电俘能器的设计提供了理论指导.      

磁耦合式双稳态宽频压电俘能器的设计和俘能特性

为了同时提高振动能量俘获系统的效率和实用性, 俘能器主结构的振动特性与环境振动特性的匹配度显得尤为重要. 非线性系统复杂的动力学行为为设计高效的俘能器奠定了基础, 但结构一旦被设计、生成出来, 其工作频率往往是固定的, 无法根据环境中的振动而发生相应的改变. 本文利用可移动铰支座和非线性磁力设计了一种具有双稳态特性的宽频压电俘能器, 通过拓宽压电俘能器的工作频带, 来匹配环境中较宽的振动频率. 为了保证系统低频宽带的俘能效果, 详细分析了结构的长度比、磁间距、负载阻抗、外激励频率和幅值等对系统线性刚度、非线性刚度以及动力学行为的影响, 并进行了实验验证. 首先将系统简化为欧拉-伯努力梁, 利用拉格朗日方程建立系统的非线性动力学方程, 并利用谐波平衡法进行求解. 针对理论分析给出的不同外激励频率下的最优长度比, 搭建了实验平台进行验证. 理论和实验的结果表明: 非线性磁力的引入使系统呈现负刚度特性, 使俘能器能够在单稳态和双稳态之间的变换, 实现低频俘能效果; 通过调节可移动铰支座的位置, 改变系统的长细比, 能够实现从0到16 Hz的宽频俘能效果.      

磁力双稳态压电悬臂梁俘能器的非线性振动特性研究

为研究双稳态压电俘能系统的相关特性,首先,建立了外界激励作用下双稳态压电悬臂梁俘能系统的等效数学模型;其次,运用谐波平衡法计算获得了系统的动力响应方程,通过绘制的动力响应曲线发现了系统中幅值与功率的解均存在跳跃现象和多解的不稳定区域;最后,分析比较了不同参数对系统动力响应的影响特性。研究结果为优化双稳态压电悬臂梁俘能器的设计和应用提供了理论依据。     

势阱特性对磁力双稳态压电俘能器性能的影响研究

为研究磁力非线性双稳态压电俘能器的动力特性,利用广义Hamilton变分原理建立了压电俘能系统的动力学方程,运用谐波平衡法获得了谐波激励下位移和电压的解析表达式。采用磁偶极子模型提出了多项式表示的磁力势能,利用数值方法模拟了不同初始条件下俘能系统的位移和电压的时程曲线。研究结果表明:在阱间运动情况下,阱深相同时,随着阱宽增大,俘获的能量增大,有效带宽减小;阱宽相同时,随着阱深增大,俘获的能量减小,有效带宽增大。采用适当的初始条件可诱导俘能系统进入高能轨道的阱间运动,从而提高俘能效率。     

非对称势阱对三稳态压电俘能器性能的影响分析

为了探讨具有非对称势能函数的三稳态压电俘能器的优点,提出了一种具有不对称势能函数的三稳态结构。基于广义Hamilton变分原理,考虑梁端磁铁偏心距和转动惯量的影响,建立了非对称三稳态压电悬臂梁俘能系统的动力学方程,利用龙格-库塔法和多尺度法分析了初始振动点、外界激励等对存在非对称势阱的磁力式三稳态压电俘能系统响应的影响。结果表明:合适的起振位置和外部激励频率能使系统进入高能轨道,产生大幅阱间运动,提高系统的俘能效率。相比于忽略梁端磁铁偏心距和转动惯量的传统模型,修正模型的系统阱间运动频带宽度及输出功率峰值的计算结果均明显增大。     

三稳态压电俘能器的势能函数及对其性能的影响

基于压电本构方程、牛顿第二定律和基尔霍夫定律,推导了机械式三稳态非线性压电俘能器的数学模型,采用数值方法研究了压电俘能器的势能函数及其对系统动力学响应和俘能特性的影响,同时,分析了刚度比和弹簧位置参数对势能函数性状的影响。研究结果表明:三稳态压电俘能器系统的势能函数具有三个势阱且具有对称性,当系统初始位置位于较浅的势阱附近时,系统将更容易做大幅阱间运动,降低有效俘能的激励幅值阈值,能够在较小的激励幅值下产生较大的均方根电压;在阱间运动情况下,势阱宽度越大,系统的均方根电压越大;弹簧位置参数和刚度比等系统参数会影响势阱深度与势阱宽度的大小,通过合理地设计系统参数,能有效提高系统均方根电压、降低有效俘能的激励幅值阈值。     

逆压电效应对双稳态压电俘能器的性能影响研究

为了研究逆压电效应对压电俘能效果的具体影响,本文首先分析了双稳态压电俘能器的分布参数型能量表达式,然后应用广义Hamilton变分原理推导了该俘能系统的动力学方程,最后采用谐波平衡法获得了动力响应解析解。通过对比不同激励频率下的数值仿真结果,讨论了逆压电效应对俘能系统动力响应的影响规律。结果表明,逆压电效应在不同工况下对俘能效果的影响并非单纯起抑制作用,在一定激励强度的高频激励下,逆压电效应对俘能效果的影响起增强作用;弱强度激励下的俘能效果则全程受到抑制作用。     

基于非线性谐振电路的双稳态俘能器的俘能与动力学特性研究

双稳态俘能器可实现宽频和高效的俘能效果.目前的研究主要在双稳态结构中接入单一电阻电路进行俘能.本文将非线性RLC (电阻-电感-电容)谐振电路引入到三弹簧式双稳态结构中,构建两自由度非线性系统,以实现俘能特性的提升.设计永磁体与线圈的构型,获得了非线性机电耦合系数.推导并得到了两自由度非线性俘能器的控制方程.利用谐波平衡法推导得到了系统的电流与位移的频率响应关系.基于雅可比矩阵对解的稳定性进行了判别.将解析解与数值解进行了对比验证.结果表明,在双稳态俘能器中引入非线性二阶谐振电路不仅有利于低频俘能,还可进一步提升俘能响应,拓宽俘能带宽.相同的电路参数下,与线性电路相比非线性电路可通过电流的倍频现象实现结构更低频率的能量俘获.减小谐振电路与双稳态结构共振频率之比,增加基础激励幅值,减小静平衡点之间的距离均可提升俘能器的俘能效果.通过调控谐振电路与双稳态共振频率之比和基础激励幅值等参数,可实现系统单倍周期响应、多倍周期响应及混沌响应之间的切换.     

基于碰撞升频的MEMS压电振动能量采集系统

本文提出了一种基于碰撞升频机制的微型压电能量采集系统，由一对共振频率不同的悬臂梁平行叠放组成。在外界低频振动激励下，底部低频S形金属曲梁产生共振，在运动过程中碰撞顶部高频微型压电直梁，从而将低频环境振动转换为高频压电梁的振动，解决了压电直梁的固有频率与外界激励频率不匹配问题，同时提高能量收集的效率。本文建立了悬臂梁受迫振动和碰撞耦合振动的动力学模型，讨论了压电悬臂梁的电压输出特性。通过实验测试了压电能量收集系统和单个压电悬臂梁的开路电压并计算了输出功率，结果表明当振动加速度为1.0 g时，升频式压电能量采集系统在25 Hz的激振下输出功率达到8.6 μW，高于单个压电悬臂梁的最大输出功率。     

Accurate modeling,comparative analysis,and performance enhancement of broadband piezoelectric energy harvesters with single and dual magnetic forces

The accurate electromechanical modeling and effectiveness of a piezoelectric energy harvester having dual magnetic forces at its tip is evaluated for low-frequency excitation purposes. To accurately represent the magnetic force, the exact finite element magnetic force is accurately fitted with a fifth-order polynomial representation in order to use it for low spacing distances between the two magnets. A comparative study is then carried out between the performances of piezoelectric energy harvesters having single and dual magnetic forces. It is indicated that hardening nonlinear behaviors take place in the dual attractive magnets compared to softening behaviors in the single magnet design. Static and eigenvalue problem analyses are also performed in order to determine the impacts of the spacing distance between the magnets on the static deflection and fundamental natural frequency of the energy harvester. The results show that the inclusion of a second magnetic force with an attractive interaction results in a delay in the static pull-in and a decrease in the fundamental natural frequency for same spacing distances. After that, a nonlinear distributed-parameter model is derived using the Galerkin discretization and used to study the performance and effectiveness of a piezoelectric energy harvester with dual attractive magnetic forces. The results show that the attractive dual magnets with same spacing distances lead to the presence of broadband resonance regions when the spacing distance between the magnets decreases to lower values. In addition, unlike the dual magnetic forces configuration which has only cubic nonlinearity, it is demonstrated that the single magnetic force configuration results in the presence of the quadratic nonlinearity which allows the energy harvester to have a softening behavior.     

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。     

Nonlinear vibration of a rotating cantilever beam in a surrounding magnetic field

The nonlinear vibrations of a rotating cantilever beam made of magnetoelastic materials surrounded by a uniform magnetic field are investigated. The kinetic energy, potential energy and work done by the electromagnetic force are obtained. A nonlinear dynamic model, based on the Hamilton principle, which includes the stretching vibration and bending vibration is presented. The Galerkin method is adopted to discretize the dynamic equations. The proposed method is validated by comparison with the literature. The nonlinear behaviors of the responses are studied. Then simulations for different kinds of magnetic field are conducted. The effects of magnetic field parameters, including the amplitude, plane angle, spatial angle and time-varying frequency, on the dynamic behaviors of the stretching motion and bending motion are investigated in detail. The results illustrate that the interaction effects between the rotating cantilever beam and the magnetic field will increase the vibration amplitude and fluctuation of the beam. In particular, we found that: collinear magnetic fields with equal amplitude lead to the same dynamic responses; the amplitude of magnetic field intensity increases the dynamic responses remarkably; the response amplitude changes nonlinearly with the plane angle and spatial angle of the magnetic field; and the increase of time-varying frequency enhances dynamic responses of the rotating cantilever beam.     

多稳态俘能系统的准确磁力建模方法

混沌和分岔使得多稳态俘能系统的非线性动力学响应对系统结构参数非常敏感, 导致了系统的非线性特性正向设计比较困难. 为了定量地表征非线性恢复力与结构参数的关系, 提出了一种多稳态俘能系统的准确磁力建模方法. 推导了多稳态俘能系统端部磁铁和外部磁铁的相对距离和转角位置, 并采用磁荷理论建立了多稳态系统的非线性磁力模型. 通过搭建实验平台测量了不同结构参数条件下多稳态系统的非线性磁力, 并对比了本方法与传统方法和实验测量的结果. 结果表明: 本方法的磁力计算结果与实验测量值吻合较好, 双稳态系统和三稳态系统的磁力峰值误差分别仅为4.3%和6.49%, 验证了本方法计算多稳态系统非线性磁力的有效性. 此外, 基于本方法探究了多稳态系统结构参数对系统势阱的影响机理, 获取了多稳态系统的稳态临界位置, 研究了双稳态和三稳态系统在不同结构参数下的响应电压规律. 参数优化结果表明, 双稳态系统在竖直距离为34 mm时, 均方电压最大为10.22 V; 三稳态系统在竖直距离为28 mm且水平距离为8 mm时, 均方电压最大为12.7 V. 该研究提出的模型以期为多稳态系统的输出性能优化设计提供借鉴.      

谐波平衡法与复平均法计算强非线性系统稳态响应的区别

近些年，很多学者致力于利用非线性增强振动响应减少的效果或者能量采集器的效率。因而非线性系统的响应值需要从理论计算方面更准确地预测。另外，根据学者已取得的研究成就，非线性能量汇(NES)中存在的立方刚度非线性可以将结构中宽频域的振动能量传递至非线性振子部分。文章将一种由NES和压电能量采集器组成的NES-piezo装置与两自由度主结构耦合连接，系统受谐和激励作用。文章采用谐波平衡法和复平均法分别推导了系统稳态响应，参照数值结果，对比两种近似解析方法在求解强非线性系统稳态响应时的异同。计算结果表明，系统体现较弱非线性时，二者计算结果差异很小；当系统体现强非线性时，复平均法不能准确地呈现系统高阶响应，提高阶数的谐波平衡法能更准确地表示系统响应值。基于谐波平衡法和数值算法，讨论NES-piezo装置对于系统宽频域减振的影响。与仅加入非线性能量汇情况对比，结果表明NES-piezo装置不会恶化宽频域减振效果，并且在第一阶共振频率附近，可以稍微提高结构减振效率。另外，计算结果也表明，采用恰当的NES-piezo装置可实现宽频域范围的结构减振和压电能量采集一体化。此项研究工作为研究不同情形强非线性系统的响应提供了理论方法的指导。另外，研究结果也为宽频域范围的结构减振和压电能量采集一体化提供了理论依据。     

一种具有新型动力放大器压电悬臂梁俘能器计算模型和解析解

为了提高压电振动能量俘获的效率,提出了一种新型的压电悬臂梁俘能器。新的压电俘能器在悬臂梁固定端安装一个新型动力放大器系统,另一端带有一个有限尺寸的质量块。新型动力放大器由平移及转动约束的弹簧-质量块系统组成。考虑有限尺寸质量块的质量分布效应和平移及转动约束的弹簧刚度等结构参数的影响,利用广义Hamilton原理,针对带有新型动力放大器的压电式悬臂梁俘能器,建立了分布参数型运动微分方程,获得了相应的特征函数,分析了自振频率和能量俘获效果。分析结果表明,考虑质量块偏心距和转动惯量可提高能量俘获效率的预测精度;合理选择动力放大器的平移及转动弹簧刚度可提高能量俘获的效率,降低俘能器的共振频率。