低频螺旋状压电俘能器结构性能分析

利用螺旋状双晶片压电梁式俘能器可以有效地从低频工作环境中提取能量.由于这种俘能结构振动中存在弯曲振动和伸缩振动两种模态,确定俘能器的最优工作模态非常重要,这样外载作用型式(即面内受载还是面外受载)对俘能器的影响较大.数值结果表明:外激励方向不同时,最大输出功率密度出现在不同阶数的固有频率处,并且最大输出功率密度的大小也显著不同,面内加载方式明显优于面外加载方式.最后还详细讨论了储能电路的阻抗,自由端悬挂的集中质量对俘能器性能的影响规律.     

矿用压电俘能器建模与俘能特性研究

采煤机的无线监测节点存在供电难问题,采用压电俘能器将振动能转化为电能可为其供电,研究俘能特性具有重要科学意义.采用实验与数据拟合方法建立恢复力模型,磁化电流法建立磁力模型,拉格朗日函数建立动力学模型, RecurDyn提取滚筒、摇臂的截割方向加速度,龙格库塔法求解动力学模型,分析在不同磁距的俘能特性,并开展实验研究.结果表明:受到前滚筒、后滚筒、前摇臂和后摇臂的截割方向加速度,在俘能特性较好的磁距时,电压依次减小且均随煤层硬度的增大而增大,截割f4煤层时,磁距分别为12 mm, 16 mm, 12 mm和12 mm的俘能特性较好,电压有效值分别为5.107 V, 4.224 V, 0.998 V和0.882 V,截割f6煤层时,磁距均为16 mm的俘能特性较好,电压有效值分别为7.298 V, 6.747 V, 1.592 V和1.397 V,加入磁力可以加大电压.实验研究发现,受到截割f4和f6煤层的前滚筒截割方向加速度,在俘能特性较好的磁距时,电压随煤层硬度的增大而增大,磁距分别为12 mm和16 mm的俘能特性较好,电压有效值分别为3.340 V和4.959 V,加入磁力可以加大...     

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.      

曲梁压电俘能器强迫振动的格林函数解

本文运用格林函数法求解了曲梁压电俘能器在强迫振动下的解析解.运用微分法分析了压电层合曲梁结构面内各内力,根据曲梁压电 俘能器的动力学方程组,基于压电本构关系,建立了包含径向阻尼但不考虑俘能器曲梁结构部分的轴向力以及轴向惯性项的Prescott力 电耦合模型. 采用Laplace变换法求得了耦合振动方程的格林函数解.根据叠加原理和格林函数的物理意义,对耦合的系统方程解耦进而 求得强迫振动下曲梁压电俘能器的输出电压. 数值计算中,通过与现有文献的解析解进行对比,验证了本文解析解的有效性,并研究了阻 尼、电阻等重要物理参数对压电函数和谐振频率的影响.通过与有关传统直梁压电俘能器研究成果的对比,体现了曲梁压 电俘能器Prescott模型的高效集能特性. 数值分析研究表明:(1)使得曲梁俘能器达到最大输出电压时连接的最优负载电 阻为1 M$\Omega$;(2)通过更换适当的基底材料,降低材料的弹性模量,可以改变曲梁俘能器的高基频现象,以使结构适应 更复杂的工作环境,但这会导致俘能器的工作效率降低.      

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。     

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.      

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。     

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...     

钝体表面附着物对低速水流压电俘能器性能影响研究

低速水流能可作为可再生能源的重要补充,适用于低速水流能开发的压电俘能器已在流场中表现出了优异的性能.而在钝体的表面增加附着物可影响压电俘能器的能量转换.通过改变附着物的形状、凸起高度和凹陷深度探究其对驰振式压电俘能器输出特性的影响.利用拓展的哈密顿原理建立俘能器的机械控制方程,引入高斯定理建立电场-位移控制方程,并基于准稳态假设计算驰振的水动力及力矩,进而得到压电俘能器机电耦合分段参数模型.用伽辽金法离散悬臂梁的位移,并在此基础上解耦控制方程,从而得到输出功率及悬臂梁位移近似解.通过水槽实验获得压电俘能器输出功率的实验值,并验证了数学模型的准确性.结果表明:0.51 m/s流速下,-2 mm椭球型凸起的压电俘能器RMS功率为1.411 mW,与无附着物的椭圆柱相比增幅为69.88%;当钝体包裹6 mm凸起的圆柱型附着物时,悬臂梁末端的振幅为3.07 mm,相比于无附着物的情况降低了84.83%.三维数值模拟的结果表明凸起、凹陷为2 mm附着物的应用会使在钝体上形成的压差升高,进而加剧流致振动,且会影响从钝体两侧脱落涡的大小及强度.     

梁端磁铁尺寸对三稳态压电俘能器性能影响分析

考虑梁端磁铁的尺寸效应和转动惯量,利用广义Hamilton变分原理,建立了较为准确的非线性三稳态压电悬臂梁俘能系统的分布参数型力电耦合运动方程。采用多尺度法求出了该系统运动方程的解析解,主要研究了磁铁间的相对位置、负载阻抗以及梁端磁铁偏心距和质量对俘能系统性能的影响。结果表明:改变梁端磁铁偏心距和质量对阱间运动最优负载阻抗的影响明显;通过调节磁铁间的相对位置可以改变内、外势阱深度,从而改善俘能效率;阱间运动的最大输出功率和频带宽度随着梁端磁铁偏心距的增加而增大;增加梁端磁铁质量可以大幅拓宽阱间运动的工作频率范围,有效地提高阱间运动的输出功率。     

压电材料在智能结构形状和振动控制中的应用

综述了压电材料在智能结构形状和振动控制中的应用．基于大量国内外有关压电介质的文献,对在分布的压电材料的表面建立力学特性与电学特性的一一对应关系,以及与之对应的分布感测、分布控制理论和混合控制理论,作了全面阐述．首先概述了研究压电材料的重要意义,然后介绍了压电本构关系和有关压电板壳的力学理论和控制理论．着重阐述了研究压电结构的数值方法与实验．展望了该领域今后的研究方向．      

压电体表面金属电极脱层的屈曲分析

基于弹性有限变形理论和电弹性体偏场理论,对半无限压电体及其表面电极层间存在穿透脱层的屈曲问题进行了分析. 采用平面应变模型,在脱层远处作用有平行于脱层的应变载荷. 使用Fourier积分变换,应用脱层界面的连续条件和电极表面的边界条件将问题归为第2类Cauchy型奇异积分方程组. 利用Gauss-Chebyshev积分公式将奇异积分方程组变为齐次线性代数方程组,以确定临界应变载荷. 通过数值算例,给出了底层为PZT-4材料、电极为金属Pt在不同的脱层长厚比时的临界应变载荷和屈曲形状,分析了压电体的压电、介电效应对屈曲载荷的影响. 另外给出了脱层屈曲时,脱层尖端奇异性振荡因子随不同脱层长厚比的关系曲线.      

压电曲壳结构形状控制和优化设计

板壳结构作为航空、航天工程以及控制系统中的重要工作元件,在工作状态 中,要承受机械载荷、温度载荷、冲击载荷等各种负面影响, 而航空航天部件对结构形状变化非常敏感,如飞行器机翼、信息接收天线等结构, 微小的结构变形就会引起很大的性能改变,想要在设计初始阶段充分考虑所有不 利因素的影响显然是比较困难的. 利用压电材料控制结构变形往往是现代空间结 构开关控制中一个很好的选择. 基于一般壳体有限单元法, 推导了空间任意曲壳 压电单元, 利用约束方程连接主体壳元和压电壳元, 模型中约束方程的使用大大 减少了结构自由度, 使得计算速度有了明显的提升. 在此基础上, 重点研究了压 电曲壳结构的形状控制方法, 首先利用最小二乘法优化结构的电压分布, 控制结 构形状接近最优工作状态; 其次构建了以压电壳元厚度和电压联合作为设计变量 的优化控制模型, 采用非线性优化求解方法, 取得了更好的控制效果. 数值算例 表明了该文计算模型、 优化设计和控制方法的有效性.     

化学-力学耦合理论与数值方法

该文研究了化学场中的质量扩散与力学耦合问题,构造了化-力耦合情况下的力学本构关系与质量扩散的本构关系,并由这些本构关系和化学场、力学场的控制方程,得到化-力场耦合的有限元方程.通过数值算例,详细分析了由应力场引起的质量重分布和由化学场引起的结构变形.研究表明,力学与化学之间存在明显的相互作用,并采用有限元数值方法进行了分析.     

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.      

机敏材料和机敏结构的力学分析

机敏材料是一种具有传感和执行的双重功能的功能材料，它无需外界的帮助，而本身就可以在电、磁、热、机械运动、光、声、化学、流变等等性能中的几项之间产生耦合行为，当机敏材料和具体结构形式结合在一起时便构成了机敏结构。本文重点介绍了比压电体更为一般化的线性电磁热弹性固体的一些基本理论，综述了压电体的材料力学分析以及压电体在机敏结构控制中的力学行为分析。最后则简略讨论了其它机敏材料中的力学分析。     

压电智能结构有限变形下热-机耦合的有限元分析

采用有限元方法研究了结构在热载荷作用下变形与热传导之间的耦合特性.分析表明,结构变形较小,非线性效应很弱时,变形对材料的热传导系数影响很小,对结构的温度分布几乎没有影响;当变形增大,非线性效应增强时,变形对材料的热传导特性影响显著,热载荷作用下结构的温度变化和变形与现行不考虑热-机耦合效应所得结果产生明显差异.因此,为实现压电智能结构形状(振动)的精确控制,分析及实施控制时须考虑热-机耦合及变形对热传导系数的影响.     

飞机结构气动弹性分析与控制研究

随着主动控制技术的发展,飞机结构设计理念已由提高结构刚度的被动设计转变为随控布局的主动设计.主动设计理念不再刻意回避气动弹性问题,而是采用主动控制技术实时调节结构气动弹性,进而减轻结构重量、优化飞机性能. 在飞机随控布局主动设计中,必须深入分析结构与气流之间的耦合,才能更好发挥气动弹性主动控制技术的作用. 从20 世纪80 年代起,航空科技界对该问题进行了长期研究,对飞机结构-空气动力-主动控制相互耦合后的关键力学问题有了深入理解. 然而,已有研究多基于简化模型,导致研究结果难以直接应用于工程. 本文将针对气动弹性动态问题,综述空气动力非线性、控制面间隙非线性、时滞诱发失稳、颤振主动抑制、突风载荷减缓、风洞实验验证等方面的国内外研究进展,重点介绍近年来作者团队所提出的若干方法及相关算例和风洞实验. 最后,指出今后一个时期值得研究的若干气动弹性分析与控制问题.      

初应力对压电层状结构声表面波传播性能的影响

研究了压电层状结构中初应力对广义Ｒａｙｌｅｉｇｈ波传播相速度和机电耦合性能的影响,通过求解含初应力的运动微分方程,对自由界面电学开路和短路两种情况得到了相应的相速度方程。给出了具体的数值算例,所得结果对于提高和改善声表面波器件性能有参考意义。     

用压电材料进行损伤鉴别的理论与数值分析

对压电材料用于损伤监测的理论和数值分析做了一些研究。首先,设计了一种用压电材料进行损伤监测的模型。然后,对这个模型进行分析,找出简单有效的解答办法,将求解过程分解为断裂力学分析和压电分析两部分,并通过适当的假设,进行了详细的理论推导。通过正电有限元程序进行仿真计算,将数值计算结果与理论解进行比较以验证提出理论的正确性,并分析得到了裂纹参数与压电层表面电势变化之间的关系和普通弹性材料泊松比对波峰参数的影响。最后,用提出的方法验算了两个例题。从结果来看,理论结果和数值结果非常接近。