一种新型双稳态电磁式振动能量捕获器动力学特性研究

将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获系统相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程;利用谐波平衡法获得了该发电振子处于高能轨道的运动幅值及发电功率密度解析解表达式。数值仿真表明:附加非线性振子的双稳态振动发电系统的响应幅值及功率密度均明显高于单一双稳态振动发电系统。在简谐激励下,随着质量比和调频比的增大,附加非线性振子双稳态振动能量捕获器的大幅运动响应及发电性能均出现了先增大后减小的趋势;且随着激振频率的增加,发生了随激振频率移动的现象。通过综合比较获得了附加非线性振子双稳态振动能量捕获器的发电性能最佳的参数配置范围m∈[0.8,3]和f∈[π/10,π/3]。上述研究结果可为双稳态振动能量捕获系统的相关研究提供理论基础。     

基于动态磁耦合的驰振能量收集器动力学分析

为了提高能量收集系统在低风速下的能量收集效率,将动态磁铁非线性引入到驰振能量收集系统中。在悬臂梁的末端和底座上分别安装一对磁极相斥的磁铁,其中安装在底座上的磁铁与弹簧相连,可随着磁斥力的变化而垂直移动。首先,根据能量法建立了磁耦合驰振能量收集系统的多场耦合振动控制方程。其次,通过Runge-Kutta数值计算方法比较分析了低风速下动态磁耦合驰振能量收集系统(DM-GEH)和固定磁耦合驰振能量收集系统(FM-GEH)的电压输出。DM-GEH系统的切入风速提前了81.82%,在1 m/s～5 m/s风速范围内能量收集效率提高了124.22%。最后,针对弹簧支撑刚度进行参数优化,提升了低风速下的能量收集效率。结果表明,通过改变磁铁支撑方式至弹性支撑将改变系统的振动频率并且降低切入风速,相较于弹簧刚度为1 000 N/m时,弹簧刚度为500 N/m时的系统的切入风速降低了54.55%,能量收集效率提高了15.35%。     

双稳态电磁式振动能量捕获器超谐波响应研究

超谐波响应是非线性振动系统在较大激励下表现的特性,在某种条件下双稳态振动能量捕获系统的超谐波响应可使系统产生优越的输出功率。本文将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获器相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程。采用两项式谐波平衡法,获得了双稳态系统在简谐激励下产生大幅运动的基谐波和超谐波响应的解析解,借助数值仿真分析了质量比和调频比对双稳态振动能量捕获器产生大幅运动的影响规律,获得了双稳态系统的结构参数的最佳配置范围,且当外部激励频率处于低频段时,系统发电主要表现为超谐波发电,随着激励频率的增大,振动发电系统主要呈现基谐波发电。上述研究,为双稳态能量捕获装置的理论研究提供了参考。     

简谐激励下黏弹性非线性能量阱的研究

黏弹性材料作为一种良好的减振材料,广泛应用于机械、航空和土木等领域.本文用黏弹性Maxwell器件代替传统非线性能量阱中的阻尼元件,提出一种新型的黏弹性非线性能量阱,并对该模型在简谐激励下的减振性能进行分析.首先,根据牛顿第二定律建立系统的动力学方程,采用谐波平衡法求解系统的幅频响应曲线,并利用MATLAB中的Runge-Kutta数值方法验证解析解的正确性,结果吻合良好.然后,分析黏弹性非线性能量阱的减振性能和参数的影响.最后,分析了不同质量比下非线性刚度比和阻尼比同时变化时减振效果的变化趋势,并讨论了黏弹性非线性能量阱的最佳取值范围.研究结果表明:主系统的最大振幅随着非线性刚度的增加先减小后增大;当参数选取恰当时,黏弹性非线性能量阱比传统非线性能量阱的减振效果更优;另外,随着质量比的增加,主系统最大振幅的最小值出现先减小后趋于不变的现象,且非线性刚度比和阻尼比的最佳取值范围有所增大.以上结论对黏弹性非线性能量阱的实际应用提供了一定的理论依据.     

针对波浪能收集的多模态振动能量收集器

波浪能源作为一种可持续的能源一直备受关注,但是由于波浪能的低带宽特性和多方向特性,使得波浪能的收集非常困难.为了在多个方向上实现宽带波浪能的收集并提高发电效率,本文提出一种使用十字梁结构的多模态振动能量收集器,并与基于液态金属的摩擦电装置相结合,使得装置具有多峰特性和高发电效率,从而实现了多个方向上宽频振动能量的有效收...     

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.     

下穿隧道爆破荷载激励下边坡振动预测及能量分析

为解决边坡与下穿近接隧道协同爆破施工安全难题,结合某石油储备基地扩建项目,运用量纲推导、现场实验与信号分析相结合的方法,构建考虑高程影响的振动峰值速度公式,研究隧道爆破振动能量沿坡面的衰减机制。结果显示,边坡同台阶边沿处质点振速峰值大于坡脚处,坡面局部存在振动速度高程放大效应;引入相对坡度H/D的爆破振动模型对坡面质点振速预测精度高,可反映边坡角对高程放大效应的影响;振动速度及能量沿坡面均呈现出近区衰减快、远区衰减慢的传播特性,同时隧道爆破振动能量集中分布在0～300 Hz范围的多个子振频带,且高频能量沿坡面衰减更快,能量卓越频带中值以指数形式衰减,能量最终向低频带集中。

     

一般相关激励下保守耦合系统的统计能量分析

目前相关激励下的统计能量关系实质是在比例相关或互谱密度为实数的相关激励下获得的。本文从分析普通相关激励下的功率流入手，给出相关激励下保守耦合系统统计能量关系的普通形式。实例表明，文中结论是正确的。     

低速水流下不同截面形状质量块压电能量收集器的实验研究

本文设计了一种适用于低流速水流中的悬臂梁式压电能量收集器,利用明渠流弯道水槽对五种质量相同、截面形状不同质量块的压电能量收集器进行实验研究,通过改变水的流速,得到不同质量块能量收集器收集功率和频率随流速的变化规律并进行分析。结果表明：在实验流速范围内,各质量块均存在起振流速,当低于起振流速时,收集的均方根功率（RMS Power）约为零,超过起振流速后,收集功率随流速增加而改变;形状相似的质量块,起振流速较为接近,四棱柱的起振流速最低,圆柱次之,三棱柱的最大;质量块截面形状不同,能量收集器性能不同,其中以三棱柱（70°）的输出性能最好,在流速为0.54 m/s时收集到的最大功率为2.02mW,分别是圆柱、四棱柱（50）和三棱柱（60°）的1.06、2.58、1.36倍。本文的研究可以为类似压电能量收集器的设计提供借鉴。     

低频振动隔离和能量采集双功能超材料

振动隔离和能量采集一体化是一种能够将有害振动隔离并转化为电能收集利用的动力学机制. 本文从局域共振超材料存在低频带隙特性出发, 研究了振动隔离和能量采集双功能超材料的动力学行为. 通过在球型磁腔内放置固接了感应线圈的球摆构成具有能量采集功能的球摆型谐振器, 并将其周期性的放置在基体梁中, 可以将带隙频率范围内的振动聚集在谐振器内, 以实现振动隔离和能量采集双功能. 建立了横向激励下双功能超材料梁的动力学方程, 应用Bloch's定理得到超材料的能带结构, 通过有限元仿真验证了理论模型和研究方法. 研究了不同参数下超材料梁的带隙特性. 进一步将一维拓展到二维, 研究了二维双功能超材料板的振动隔离和能量采集性能. 最后, 设计并建造了振动隔离和能量采集一体化双功能超材料动力学实验平台, 解析、数值和实验结果表明, 在局域共振带隙的频率范围内, 超材料梁主体的振动明显被抑制, 与此同时, 振动被局限在谐振器中, 使采集到的电压达到了最大值. 通过对附加谐振器和没有附加谐振器的能带结构和幅频响应的对比, 发现球摆型谐振器的加入可以在低频范围内形成了一个局域共振带隙, 有效提高了超材料梁在低频处的振动隔离和能量采集性能.      

四角点简支双稳态层合板振动特性研究

双稳态层合板作为一种柔性可变体结构,为实现振动状态下的构型调控,将对其开展固有振动特性的研究.本文以四角点简支约束的矩形非对称铺设双稳态板作为研究对象,运用最小势能原理、一阶剪切变形理论、以及冯卡门几何非线性位移应变关系,得到双稳态板的两种稳态构型.首次给出了适合于四点简支的6参数构型函数与17参数构型函数,研究对比发现对于稳态构型采用17参数的构型函数结果相对更精确;对于应用线性位移应变关系的基于任一稳态构型下振动固有特性而言,这两种构型函数得到的结果基频相差2%,其它阶次频率相差也不大.随后采用6参数构型函数得到的稳态构型研究了几何尺寸、铺层数分别对两种稳态构型固有振动特性的影响.本研究对于进一步研究该类结构动态跳变机理具有重要意义.     

弹性体非线性振动多重共振的能量法

本论文以非线性振动理论的平均法为基础和力学的能量概念结合起来,找到了求解弹性体系非线性振动多重共振的能量法。应用本方法研究了电机轴系的双重共振等问题,证明了它是一个简易适用的方法。揭示了双重共振的一些新现象,理论得到了实验验证。     

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.     

面向压电振动能量俘获的电能管理电路综述

随着物联网(internet of things, IoT)技术的高速发展, 传统的电池供电方式已经不能满足其供电需求. 利用压电能量俘获技术将机械能转换为电能, 可为IoT提供持久的电能, 具有广阔的应用前景. 本文在讨论压电振动俘能器的电学特性基础上, 全面总结了面向压电振动俘能器的电能管理电路的最新研究成果. 电能管理电路通常由AC-DC变换和DC-DC开关变换器(包括控制算法)两部分组成, 前者用于将压电振动俘能器输出的交流电转变为直流电, 后者用于提高能量俘获效率. 首先, 针对AC-DC变换, 分析了全桥整流器、电压倍增器、同步开关电感电路和同步开关电容电路的工作原理和优缺点. 接着, 重点讨论了用于压电振动俘能器的典型开关变换器电路, 包括电感式、全电容式和变压器式DC-DC开关变换器以及AC-DC开关变换器, 分析了它们的特点和适用场合. 最后, 针对压电振动俘能器的特点, 分析了实现最大能量俘获的几种典型控制算法, 包括最大功率点跟踪、阻抗匹配和同步电荷提取控制算法. 本文通过对面向压电振动俘能器的电能管理电路的全面分析和综述, 揭示了该领域目前存在的瓶颈问题, 并展望了其未来发展方向, 对压电能量俘获自供电系统的研究和开发具有重要的参考价值.      

基于反激变压器的压电振动能量双向操控技术

压电材料因其具有良好的机电耦合特性, 在振动能量俘获和结构振动控制领域有着良好的应用前景. 基于同步开关和电感的压电元件接口控制电路, 可以通过振荡电路工作原理调节压电元件的电压幅值和相位, 优化压电振动系统的机电能量转化. 优化型同步电荷提取技术即基于上述接口控制电路实现了压电振动能到电能的高效转换. 本文提出了一种衍生于优化型同步电荷提取电路的压电阻尼半主动控制电路, 借鉴反激变压器的原、副边能量转换特性, 实现了压电振动控制系统从电能到机械能的能量操控, 进而达到结构振动抑制的效果. 至此, 结合了压电电荷能提取与压电阻尼半主动控制技术的新电路, 以反激变压器为核心实现了压电振动能量的双向操纵. 论文首先介绍了相应的控制电路及工作原理, 推导了新型同步开关阻尼技术下的结构的振动阻尼比模型, 搭建了压电悬臂梁振动控制实验平台, 最终通过实验验证了理论模型, 并使用更简单的控制方法解决了振动控制系统的稳定性问题.      

简谐激励作用下轴向运动梁横向振动特性分析

为分析简谐激励作用下轴向运动梁的横向振动问题,采用单元数目及长度固定不变、节点参数在不同时间步下无缝传递的节点生死方法,建立了时变系统的动力学有限元模型,通过已有实例验证了模型的准确性和有效性。在此基础上,分析了架设速度、激励力频率和幅值对某型平推式军用桥梁架设过程横向动力响应的影响规律。结果表明,在架设过程中,当桥梁的时变固有频率与激励力频率接近时,桥梁位移动态响应呈共振的特点,据此提出了减小某型平推式军用桥梁架设过程动力响应的措施。     

六层非对称正交双稳态复合材料层合板的动态跳跃研究

本文研究了中心固支,四边自由的六层非对称正交双稳态复合材料层合板(0/0/0/90/90/90)的动态跳跃现象,并展示了双稳态复合材料层合板在动态跳跃前后和过程中的非线性振动.考虑冯卡门大变形,利用Reddy三阶剪切变形理论和哈密顿原理,建立了动力学与控制方程.利用动力学与控制方程,得到了李雅普诺夫指数图、庞加莱截面图...     

振动工具传至手臂系统的能量

振动白指病(VWF)是手持振动工具操作工人的职业病,其发病率决定于从工具传入手中的总能量水平。本文介绍了传入手中的能量的计算方法,并结合对操作工人的实测结果加以比较。结论指出,在6.3～1000Hz范围以内,由风镐手柄传入手中的单位时间的功为1.57×10~2J·S~(-1),而由风镐凿子传入手中的单位时间的功则更多。     

强非线性振动系统周期解的能量迭代法

对于完全强非线性系统：x^.. g(x) f(x,x^.)x^.=0,提出求周期近似解析解以及这些解的稳定性的新方法。式中，g(x)、f(x,x^.)x^.分别是x,x、x^.的非线性函数。方法是基于能量原理，求出其一次近似解析解，然后引进牛顿迭代思想，得到周期系统数微分方程，最后根据谐波平衡原理及最小二乘法求其高次近似解，高次近似解的表达式由计算机辅助推导。计算参考文献[2]和[3]中的例题，令其中ε=1，研究该完全强非线性系统的周期解及其稳定性，本文方法与龙格-库塔数值法算得的结果对照如图1-3所示，它们表明本文方法不仅有效而且精度较高。     

基于能量准则的板振动控制的LQR法

针对压电层合结构振动的主动控制问题，为了优化控制效果，本文基于现代控制理论提出了选用结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR法。首先，按能量准则推导了控制目标函数中权系数矩阵(Q矩阵和R矩阵)的理论计算公式，为权系数矩阵的选取提供了一定的理论依据。然后，运用该算法，分析了压电层合板受到初始位移激励和冲击载荷作用下的控制过程，用Matlab进行系统仿真，得到了板中心点的位移和控制电压大小随时间变化的曲线。数值模拟的结果表明，该方法能达到更有效控制结构振动和减小控制能量消耗的目的，与一般的LQR控制方法相比，能满足系统多方面的设计要求且控制效果更优，从而验证了该LQR方法运用到结构振动主动控制中的可行性。