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...     

附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器的理论建模及分析

论文建立了一种附磁阶梯变厚度压电悬臂梁的动力学模型并分析了系统的俘能特性。基于Euler-Bernoulli梁理论分段建立系统能量函数并引入非线性磁势能,利用Lagrange方程建立了系统机电耦合动力学方程;利用数值方法分析了磁间距对系统振动特性的影响,此外还研究了系统单稳态和双稳态响应,探讨了厚度比、长度比、磁间距和外激励幅值对系统动力学响应和俘能特性的影响。结果表明,磁间距是影响系统势能的主要因素,调节磁间距可使系统产生单稳态和双稳态响应,从而有效提高俘能器俘能特性;与传统等截面悬臂梁压电俘能器相比,通过优化结构参数,附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器能够发生明显的非线性振动现象,实现宽频带振动能量采集。     

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.      

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.     

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?;(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.     

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.      

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。     

基于自旋梁的压电振动能量采集与动力学分析

为研究轴向载荷及梁上外激励共同作用下自旋梁结构强迫振动的压电振动能量采集问题,文章提出运用格林函数法求解自旋梁压电俘能器强迫振动下的电压解析解.基于Euler-Bernoulli梁理论,采用扩展Hamilton原理及PZT-5A压电本构,建立了自旋梁压电俘能器强迫振动的力电耦合模型.采用Laplace变换法求得耦合振动方程的格林函数解,并根据线性叠加原理和格林函数的物理意义,对耦合的系统方程进行解耦,进而求得强迫振动下自旋梁压电俘能器的电压解析解.数值计算中,通过与现有文献中的解析解以及实验结果进行对比,验证了本文解的有效性,并分别分析了自旋梁压电俘能器的压电响应与电阻、转速等重要物理参数之间的关系.数值分析研究表明:(1)自旋梁俘能器的压电响应随电阻阻值的增大而增大,直至阻值达到最优负载电阻;(2)通过调高转速,可以提高压电俘能器的最大输出电压;(3)通过降低轴向载荷,可在保持俘能器高效工作的情况下改善俘能器的高基频现象.     

具有弹性放大器的双稳态压电俘能器建模及参数影响分析

利用广义Hamilton变分原理,建立了具有弹性放大器的双稳态压电俘能系统BPH+EM的动力学方程。考虑谐波激励,采用调和平衡法获得了BPH+EM系统的位移、输出电压和功率的解析解。利用求得的解析解,讨论了BPH+EM系统扩大能量俘获的频率范围和提高能量俘获效率的机理,研究了弹性放大器的刚度质量比对BPH+EM系统的动力性能影响规律。当弹性放大器的刚度质量比趋于无限大时,具有弹性放大器的双稳态压电俘能系统退化为双稳态压电俘能系统BPH。弹性放大器的刚度质量比趋于0但不等于0时,BPH+EM的俘能效率低于BPH。结果表明,在合适的刚度质量比范围内,BPH+EM的俘能效率显著优于BPH。研究结果为BPH+EM系统的优化设计提供了理论指导。     

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。     

Nonlinear dynamic analysis of cantilevered piezoelectric energy harvesters under simultaneous parametric and external excitations

The nonlinear dynamics of cantilevered piezoelectric beams is investigated under simultaneous parametric and external excitations. The beam is composed of a substrate and two piezoelectric layers and assumed as an Euler–Bernoulli model with inextensible deformation. A nonlinear distributed parameter model of cantilevered piezoelectric energy harvesters is proposed using the generalized Hamilton's principle. The proposed model includes geometric and inertia nonlinearity, but neglects the material nonlinearity. Using the Galerkin decomposition method and harmonic balance method, analytical expressions of the frequency–response curves are presented when the first bending mode of the beam plays a dominant role. Using these expressions, we investigate the effects of the damping, load resistance, electromechanical coupling, and excitation amplitude on the frequency–response curves. We also study the difference between the nonlinear lumped-parameter and distributedparameter model for predicting the performance of the energy harvesting system. Only in the case of parametric excitation, we demonstrate that the energy harvesting system has an initiation excitation threshold below which no energy can be harvested.We also illustrate that the damping and load resistance affect the initiation excitation threshold.     

基于人体运动的压电-电磁混合式振动能量采集研究

将人体运动产生的动能转化为可利用的电能为传感器供电一直是能量采研究中的一个热点。如何有效利用人体运动,增强环境适应能力以及提高能量采集性能仍是俘能研究中需要解决的关键问题。本文基于人体运动特性,设计了一种新型的混合式能量采集器,同时具有压电和电磁转化机制。压电俘能是基于压电梁变形产生电能,电磁发电机采用堆叠磁组构型来切割线圈产生电动势。首先建立了混合式能量采集器的动力学理论模型,用来描述输出电压特性,并与实验进行了对比验证。理论与实验研究均表明,混合式俘能器的输出电压在一定激励频率范围内出现两个波峰。通过调节压电梁长度,可以改变峰值大小以及两个峰值间的频段范围。人体运动实验表明,混合式俘能器中可以在短时间内提供较高的电压输出,比如当跑步速度为5km/h时,3s内就可以输出1.1V直流电压驱动传感器工作;跑步时长为30s时,传感器正常工作时常可以达到77s。本文设计的混合式俘能器不仅可以快速供电,还具有较强的续航能力,这为电池充电或传感器供电提供了潜在的应用价值。     

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。     

A Motion Amplifier Using an Axially Driven Buckling Beam: II. Modeling and Analysis

In this paper, the nonlinear behavior of a motion amplifier used to obtain large rotations from small linear displacements produced by a piezoelectric stack is studied. The motion amplifier uses elastic (buckling) and dynamic instabilities of an axially driven buckling beam. Since the amplifier is driving a large rotary inertia at the pinned end and the operational frequency is low compared to the resonant frequencies of the beam, the mass of the buckling beam and the dynamics of the PZT stack are neglected and the system is modeled as a single-degree-of-freedom, nonlinear system. The beam simply behaves as a nonlinear rotational spring having a prescribed displacement on the input end and a moment produced by the inertial mass acting on the output end. The moment applied to the mass is then a function of the beam end displacement and the mass rotation. The system can, thus, be modeled simply as a base-excited, spring–mass oscillator. Results of the response for an ideal beam using this reduced-order model agree with the experimental data to a high degree. Inclusion of loading and geometric imperfections show that the response is not particularly sensitive to these imperfections. Parameter studies for the ideal buckling beam amplifier were conducted to provide guidance for improving the design of the motion amplifier and finding the optimal operating conditions for different applications. An erratum to this article can be found at     

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。     

Nonlinear-forced vibrations of piezoelectrically actuated viscoelastic cantilevers

This paper aims to study the nonlinear-forced vibrations of a viscoelastic cantilever with a piecewise piezoelectric actuator layer on its top surface using the method of Multiple Scales. The governing equation of motion is a second-order nonlinear ordinary differential equation with quadratic and cubic nonlinearities which appear in stiffness, inertia, and damping terms. The nonlinear terms are due to the piezoelectricity, viscoelasticity, and geometry of the system. Forced vibrations of the system are investigated in the cases of primary resonance and non-resonance hard excitation including subharmonic and superharmonic resonances. Analytical expressions for frequency responses are derived, and the effects of different parameters including damping coefficient, thickness to width ratio of the beam, length and position of the piezoelectric layer, density of the beam, and the piezoelectric coefficient on the frequency-response curves are discussed for each case. It is shown that in all these cases, the response of the system follows a softening behavior due to the existence of the piezoelectric layer. The piezoelectric layer provides an effective tool for active control of vibration. In addition, the effect of the viscoelasticity of the beam on passive control of amplitude of vibration is illustrated.