涡激振动作用下压电悬臂梁俘能器的仿真分析

为了研究涡激振动作用下压电能量收集器与流体域之间的相互作用关系,基于ANSYS仿真软件,建立流-固-压电三场耦合模型,对置于圆柱钝体后一个圆柱直径位置处的压电悬臂梁在风场中的发电情况进行数值仿真分析。仿真结果表明,在卡门涡街的作用下,压电悬臂梁因两侧压力不同而发生振动,压电悬臂梁所发出的电压趋近于正弦信号,最大电压值为20V。同时,输出电压的相位与压电悬臂梁发生形变的相位一致,与涡街脱落的相位相差180°。该研究证明了仿真计算的可行性,为俘能器的设计提供了理论依据。     

阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器的低频振动性能分析

提出了一种二级阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器,利用传递矩阵法和有限元仿真分析了结构振动的固有频率,研究了压电悬臂梁的几何参数对固有频率的影响,并将计算结果进行对比,得到了很好的一致性.最后,仿真得到了这种俘能器的输出电压频响曲线.研究结果表明,与传统的等厚度悬臂梁压电俘能器相比,所设计的阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器具有优异的低频特性,通过改变几何参数可以有效调控俘能器的共振频率,使其接近环境的振动频率,从而使得输出电压达到最高.研究结果可为采集环境中的低频振动能量,实现低功耗微电子元器件的自供电提供设计的理论依据.     

同步电感提取技术在压电风能采集装置中的应用

虽然同步电感能量提取技术(SSHI)能够显著提高压电能量采集装置的采集效率,但需要额外的位移传感器对压电片的动作状态进行检测,在压电片发生复杂形变时此方法不适用。为了提升俘能电路在非线性激励下的工作效率,本文基于小旗式压电风能采集装置,设计了一种新型自供电、自感知式同步电感能量采集接口电路,该电路可以根据压电片输出的电压判断压电片的形变量,实现同步电感开关的自动控制。同时,利用Multisim电路仿真软件,对标准接口电路及新型接口电路进行仿真分析。仿真结果表明,新型接口电路能够有效提高俘能电路在非线性激励下的能量俘获效率,与传统俘能电路相比,新型俘能电路可以使输出功率提升30%。该研究为非线性俘能电路的设计提供了理论依据。     

水流管道压力脉动能量采集器实验研究

为了实现压力管道智能监测与检测的自供电技术,探讨管道压力脉动能量采集技术,本文提出了一种具有力学放大器的增强型压电叠堆俘能器。基于牛顿力学原理理论推导了力学放大器的放大系数,利用有限元方法对俘能器进行了谐响应分析并讨论了结构参数对输出电压的影响规律,通过实验研究了力学放大器与管道中的扰流体对俘能器俘能效率的影响。研究结果表明:通过调整力学放大器的结构能够有效提高俘能器的开路输出电压,在水流管道中添加扰流体有利于提高管道内压力脉动,进一步提高了俘能器的输出功率。本文的研究结果对压力管道能量收集器的设计和应用具有重要的借鉴意义。     

基于卡门涡街效应的压电悬臂梁的发电仿真分析

为研究压电体在海洋中受迫振动发生形变产生电场的复杂问题,本文以柔性压电片(聚偏氟乙烯作为压电体)为例,基于ANSYS有限元仿真软件,建立流体固体压电三场耦合的仿真模型,研究基于卡门涡街效应的柔性压电悬臂梁的发电能力与水速、圆柱直径、压电片尺寸之间的关系。分析结果表明,在压电片尺寸和水流速度相同的情况下,圆柱直径为40mm时,产生的电压最大为1.95V;在压电片尺寸和圆柱直径相同的情况下,水流速度为0.2m/s时,产生的电压最大为1.95V;在水流速度和圆柱直径相同的情况下,当压电片长度为170mm时,产生的电压最大为1.85V。该研究为以后相关研究提供了理论基础。     

钝体-压电片风致振动能量收集优化试验

对不同参数的钝体-压电片系统进行了风洞试验,分析了钝体形状、质量和压电片长度对钝体风致振动响应及其能量转换特性的影响,验证了驰振理论模型。试验结果表明,相比梯形柱、圆柱和三角柱,方柱起振折减速度低、振幅响应大、能量输出高,其振幅、输出电压和功率最大分别能达到5D、0.55 V和0.378μW。质量增加引起结构阻尼比增大,从而临界折减速度增大,能量收集效果变差。随着压电片长度的增大,系统的能量输出增大,当压电片长度为3.5D时,系统能量收集效果最佳。     

基于LES开缝V形钝体性能研究

为了研究开缝宽度对中缝式V形钝体性能的影响,采用大涡模拟(LES)方法研究不同开缝宽度V形钝体尾流场.首先,模拟标准钝体流场,通过与文献数值模拟结果及实验结果比较,验证方法的正确性.然后,保持钝体张角为60°,阻塞比为0.33不变,分别研究缝宽比为0.1、0.2、0.3及0.4开缝钝体性能.大涡模拟得到的尾流场与文献观察到的实验现象一致.钝体回流区随缝宽比增加先增加后减小;阻力损失随缝宽比增加而减小,并均小于标准钝体.数值模拟表明,中缝流对流场的影响仅局限于钝体尾部一定区域内.过大的开缝宽度将使钝体性能极具恶化.综合比较,缝宽比为0.2时钝体回流区最大,比标准钝体增长24.3%,总压损失系数降低49.6%.     

轴向受压梁非线性随机最优电压有界控制

针对轴向受压细长结构容易在外界扰动下产生低频大幅振动的问题,基于几何非线性理论、压电耦合场理论和拉格朗日方程,推导表面贴附压电作动片的轴向受压梁的机电能量表达式,建立轴向受压梁的非线性随机振动压电主动控制模型;考虑压电作动器工作电压的限制因素,利用随机平均法和动态规划方程导出改进型的非线性随机最优电压有界控制策略. 该策略包括无界最优电压和bang-bang控制电压,因而较bang-bang电压控制律具有更好的连续性. 对简支轴向受压梁在多种情况下的非线性随机振动最优控制进行数值仿真,与bang-bang电压控制律进行比较,结果表明本研究导出的改进型电压控制律所需的压电作动器控制电压大幅下降,而振动控制效果略有降低.     

压电俘能地板设计与实验研究

设计了一种踩踏式压电俘能地板,将行人踩踏时产生的机械能转化为电能,收集后向用电器供电。首先采用三维建模软件进行机械结构设计和能量收集系统设计,然后制作样机进行实验,测出实际压电地板的最大输出电压,将理论值和实际值进行对比,踩踏力为850 N时,压电地板的最大输出电压为14.6 V,其性能符合预期。     

压电智能板热效应分析模型的建立与仿真

通过有限元分析方法研究了压电智能板结构的热效应问题。采用了包含4个位移节点、2个电势节点和8个温度节点的有限元模型,其位移场按壳单元模型描述,电势场和温度场则按线性插值方法描述。基于虚功原理导出了热机电有限元方程,分析了温度场的改变对压电智能板结构动力特性、动力响应和输出电压的影响。通过一悬臂智能板结构的数值仿真,反映出温度变化造成的物理参数值改变对位移响应和输出电压具有一定的影响;温度变化产生的热载荷对动力响应和输出电压具有非常大的影响,表明了在智能板结构响应分析中考虑热因素的重要性。     

压电柔性机械臂的轨迹跟踪控制

提出一种利用压电材料对柔性机械臂进行末端轨迹跟踪控制的方法．利用假设模态法,采用压电作动器和传感器同位配置,根据Lagrange方程建立了单连杆柔性机械臂的动力学模型;针对柔性机械臂的非最小相位特点,以刚性旋转关节的转角为控制输出、以压电作动器抑制柔性机械臂的末端振动,基于Lyapunov函数,采用PD(proportional-differential)控制策略实现了对柔性机械臂进行末端轨迹跟踪控制．仿真结果表明,压电作动器很好地抑制了柔性机械臂末端的振动,末端的轨迹跟踪由关节驱动和压电作动共同完成,PD控制算法简单,易于工程实现．     

压电悬臂梁振动的模态控制

结合有限元分析方法与模态控制来抑制悬臂梁的振动.采用有限元分析方法研究悬臂梁的动态特性,建立其动力方程.在悬臂梁振动时应力最大或次最大处的上、下表面同位配置压电片,作为抑制悬臂梁振动的致动器.基于模态控制方法,设计了模态传感器和模态致动器.采用模态速度负反馈进行反馈控制,以此计算出各个作为致动器的压电片的控制电压,以抑制悬臂梁的振动.通过算例进行数值仿真,结果表明,以此方法布置压电片和输入控制电压,能迅速抑制悬臂梁的振动,可单独或同时控制几阶模态振动.     

基于柔性铰链放大的压电叠堆泵

基于压电和精密驱动技术,利用压电叠堆作为驱动器,结合柔性铰链位移放大机构设计了流体泵样机,进行了试验研究。分析了压电叠堆Tokin AE0505D16的滞环特性,从理论上研究了该压电叠堆的刚度特性和快速响应特性。设计制造了用于位移放大的柔性铰链放大机构,对柔性铰链放大机构扭转变形和转角刚度的影响因素进行了理论分析,确定了所设计的柔性铰链放大机构各结构参数;测试了柔性铰链放大机构在不同电源激励下的动态响应、幅频特性、迟滞特性、输出力与输出位移特性,得出了影响放大机构放大倍数和输出特性的因素。利用有限元分析软件对放大机构进行了分析,进一步验证了放大机构的可行性和安全性。通过改变试验参数(电压、频率),对压电叠堆泵样机进行了实验研究,分析了输入电压、输入频率对泵输出流量和输出压力的影响程度。     

悬臂梁单晶压电振子发电的理论建模与仿真

为了解决电池为低功耗电子产品供能存在的诸多问题,对悬臂梁单晶压电振子的发电能力进行了研究.根据压电理论和热平衡原理,建立悬臂型单晶压电振子发电能力的数学模型,并对金属基板材料、基板厚度与压电片厚度对压电梁发电能力的影响进行了数值模拟与有限元仿真分析.研究结果表明,建立的数学模型与有限元仿真分析结果一致,压电片与基板材料存在一个最佳厚度比使得压电振子的输出电压达到最优,且最佳厚度比随着基板材料弹性模量的增大而增大,当基板材料分别为铝、磷青铜、多晶硅和钢时,单晶压电振子所对应的最佳厚度比分别为0.4、0.5、0.55和0.65,最后对以磷青铜为基板材料的压电振子进行了实验测试.实验结果表明,当压电片与基板厚度比为0.5时,压电振子输出功率最大,验证了理论分析的正确性.     

一种压电陶瓷致动器直流可调稳压驱动电源设计

研究一种基于开关式原理的压电陶瓷致动器动态驱动电源.方案采用7组三端可调稳压器LM317串联叠加输出稳定电压给压电致动器供电,输出电压值通过调节接入电路中光耦占空比大小来实现.经过实际电路测试实验,所提方法制作的压电陶瓷致动器动态驱动电源能够输出0~200V直流电压,具有良好的稳定性.     

MFC俘能器振动发电模型及负载特性研究

传统压电俘能器陶瓷层易碎,无法满足低功耗无线传感网络节点长时间供电要求。现采用柔韧性更好,使用寿命更长的压电纤维复合材料MFC作为压电俘能器。参照压电陶瓷振子的振动发电模型,建立了悬臂梁式MFC俘能器的振动发电模型,得出影响输出功率以及能量转换效率的各种因素,研究MFC的输出功率、能量转换效率与负载之间的关系。负载特性实验表明,该模型理论值和实验值虽存在一定误差,但能够较为准确揭示MFC输出功率、能量转换效率与负载之间的变化规律。     

压电陶瓷在离合器中的应用

给出了压电陶瓷离合器的概念及及工作原理,分析和论述了压电陶瓷致动器的输出位移,输出推力,对控制电压的响应特性等与离合器的输出转矩和动作时间之间的关系。     

车载压电悬臂梁结构参数对其发电量的影响

为了研究车载环境下压电悬臂梁的结构参数变化对压电振子发电量的影响,根据压电方程建立了压电悬臂梁的等效模型,仿真分析了各结构参数对悬臂梁压电装置的固有频率和输出电压的影响规律。研究结果表明,适当增大悬臂梁自由端质量块的质量和悬臂梁的长度,减少悬臂梁的宽度和中间金属层的厚度,可使压电悬臂梁的固有频率降低,接近环境振动频率,从而使输出电压增加,提高压电装置的发电能力。     

压电陶瓷在离合器中的应用

给出了压电陶瓷离合器的概念及工作原理 ,分析和论述了压电陶瓷致动器的输出位移、输出推力、对控制电压的响应特性等与离合器的输出转矩和动作时间之间的关系 ,给出了理论分析方法和计算公式以及离合器的设计方法。此外 ,还分析了压电陶瓷离合器的环境适应性 ,最后介绍了根据理论研究设计制造的一个压电陶瓷离合器的初步试验情况。     

系统参数对三稳态压电俘能器性能影响分析

基于 Euler-Bernoulli 梁假设,通过广义 Hamilton 变分原理建立了三稳态压电悬臂梁俘能系统的分布参数型力电耦合方程,利用多尺度法得到方程的解析解。重点研究了初始起振位置以及材料参数等对系统动力响应的影响。结果表明：选择合适的初始起振位置可使系统更容易进入高能轨道,产生大幅阱间运动;通过合理的调节磁铁间距可提高系统的俘能效果。阱间运动的输出功率和最优负载阻抗随着压电常数的增大而增大,随着介电常数的增大而减小;优化系统参数可提高工作频率范围和输出功率。