一种磁力滑动式翼型颤振能量俘获器

风致振动是自然界中普遍存在的一种现象,并且蕴藏着巨大的可利用能源.如何充分利用风致振动引起的结构大幅值响应进行能量俘获,为微电子器件供电是能量俘获领域的一个难题.为了高效俘获风致振动能量,文章提出了一种磁力滑动式翼型颤振能量俘获器.基于半经验非线性空气动力学模型并考虑与磁铁位置相关的机电耦合系数,建立了该能量俘获器的动力学模型,搭建了风洞实验平台,制作了实验样机.通过增加风速和降低风速的方式为能量俘获器提供两种不同的初始状态,发现其具有两个临界风速(5.2 m/s和8.3 m/s),降风速实验中在8.3 m/s风速下出现突跳现象.在数值仿真中,在6.8 m/s和8.2 m/s风速下出现了两个突跳点,和一段多解区域.分析了沉浮位移和电压响应,发现沉浮位移以正弦形式响应,输出电压以非正弦形式响应,并出现明显的偶次谐波.仿真的沉浮位移和电压输出波形与实验波形吻合较好,验证了模型的准确性.能量俘获器的均方根电压随电阻的增加而增加,平均功率随电阻增加呈现先增加后降低的趋势.分析了负载电阻对能量俘获性能的影响,在8.6 m/s风速下,实验中能量俘获器的负载电阻接近线圈内阻值时平均功率达到最大值7....     

线绳驱动转速提升式低频俘能器的设计与研究

俘获周围环境中丰富的低频机械能对减少废旧电池数量、实现自维持传感器、降低传感器网络的使用和维护成本等具有重要意义, 但传统的振动型俘能器对低频机械能的俘获效果不佳. 为了有效收集周围环境中的低频机械能, 本文提出一种线绳驱动、具备转速提升功能的电磁式俘能器, 首先借助线绳驱动转轴结构将低频振动转换为双向旋转运动, 再通过刚度自动改变的拨片和磁齿轮将双向旋转运动转换为转速更高的单向旋转运动, 从而提高输出功率. 对所提出的俘能器建立了机电耦合动力学模型, 并通过样机制作和实验测试证实了理论模型的正确性. 实验研究表明, 在激励幅值40 mm和激励频率2 Hz的条件下, 通过本文设计制作的2.5倍转速提升功能的磁齿轮, 可将线绳驱动电磁式俘能器的最大输出功率增加至7.82 mW, 比对应的无磁齿轮提升转速的线绳驱动电磁式俘能器的最大输出功率(3.22 mW)高约143%. 在相同的激励条件下, 制作的俘能器的交流电能经过桥式整流器转换为直流后, 可在1.2 s内将220 μF储能电容器的电压从0 V提升至1.5 V. 在低频、不规则的振动激励下, 所制作的俘能器仍可提供0.35 mW的输出功率, 为设计高性能低频俘能器提供一条可行的解决方案.      

基于等效电路法的变三角截面驰振压电能量收集研究

随着能源危机的逐渐加剧，人们对压电俘能器研究的投入也与日俱增，目前常见的研究压电俘能器的模拟方法只能研究其接入简单的单一电阻负载电路时的性能，且不能解决压电俘能器的高强度直流电路耦合问题。因此，本文借助二阶范德波尔控制方程将压电俘能器的主要部件等效为电子元件，进而基于等效电路法建立了与变三角截面驰振压电振动俘能器相对应的等效电路模型。借助风洞实验验证了所建立的等效电路模型的准确性。采用该模型研究了外接电路，钝体顶角，外接电阻和来流速度对变三角截面驰振压电俘能器输出电压，输出功率和响应位移的影响，结果表明，随着电阻的增大，输出电压逐渐增大且增长率逐渐减小。交直流电路的最佳负载分别为1.05 MΩ和1.4 MΩ，当风速为7.03 m/s，钝体顶角为90°时，交直流电路输出电压和输出功率的峰值分别为41.34 V，0.974 mW和50.8 V，0.616 mW。随着钝体顶角的增大，输出电压，输出功率和响应位移均逐渐增大且增大的速度逐渐减小。等效电路模型可以高效，准确地对不同结构参数下和外界电路下的压电振动俘能器的输出功率，输出电压，响应位移及其影响因素进行研究，所提出的等效电路模型于加快对压电振动俘能器的研究与推广应用具有一定意义。     

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。     

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.      

采用压电材料提高超声速飞行器壁板结构的颤振特性

采用压电材料对结构进行振动主动控制已经进行了广泛研究,论文进一步采用压电材料改进超声速壁板结构的气动弹性颤振特性,研究中考虑压电材料力电耦合效应的影响.采用Hamilton原理和Rayleigh-Ritz方法建立壁板及压电材料整体结构的运动方程,采用超声速活塞理论模拟气动力,利用加速度反馈控制策略对压电材料施加外电压,获得结构的主动质量.求解运动方程的特征值问题获得固有频率,进而确定气动弹性颤振边界,分析了反馈控制增益对超声速飞行器壁板结构主动颤振特性的影响,研究表明,采用压电材料可以提高超声速壁板结构的气动弹性颤振特性.     

翼型厚度对气动弹性特性的影响

结合基于$k$-$\omega$的SST两方程湍流模型,求解雷诺平 均Navier-Stokes方程获得定常和非定常气动力,耦合翼型弹性运动方程,在时间 域内模拟了不同厚度对称翼型在不同迎角下的气动弹性动态过程, 并重点研究了较大迎角下的不同厚度翼型流场特征和气动弹性的性质,研究结果表明：在论 文所涉及的参数情况下,对于迎角从零到大迎角范围,翼型颤振临界速度随迎角的变化不是 单调的. 翼型颤振临界速度迅速下降的起始迎角比最大升力系数对应的迎角小很多.     

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。     

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.     

具有迟滞非线性的高超声速机翼颤振分析

本文采用两自由度的二元机翼模型,研究高超声速机翼由于气动弹性引起的机翼颤振问题.考虑了由于机翼连接部位的松弛和摩擦引起的机翼迟滞非线性特性的影响,采用三阶活塞理论给出高超声速机翼的非线性气动力和气动力矩.通过数值模拟,获得系统的时域响应曲线和Poincare图,分析发现,随着系统参数的变化,二元机翼会出现极限环、分岔等复杂的动力学行为,并发现迟滞非线性参数对系统极限环幅值、分岔和混沌特性有较大影响.     

Power extraction from aeroelastic limit cycle oscillations

Nonlinear limit cycle oscillations of an aeroelastic energy harvester are exploited for enhanced piezoelectric power generation from aerodynamic flows. Specifically, a flexible beam with piezoelectric laminates is excited by a uniform axial flow field in a manner analogous to a flapping flag such that the system delivers power to an electrical impedance load. Fluid–structure interaction is modeled by augmenting a system of nonlinear equations for an electroelastic beam with a discretized vortex-lattice potential flow model. Experimental results from a prototype aeroelastic energy harvester are also presented. Root mean square electrical power on the order of 2.5 mW was delivered below the flutter boundary of the test apparatus at a comparatively low wind speed of 27 m/s and a chord normalized limit cycle amplitude of 0.33. Moreover, subcritical limit cycles with chord normalized amplitudes of up to 0.46 were observed. Calculations indicate that the system tested here was able to access over 17% of the flow energy to which it was exposed. Methods for designing aeroelastic energy harvesters by exploiting nonlinear aeroelastic phenomena and potential improvements to existing relevant aerodynamic models are also discussed.     

Dimensionless modeling and nonlinear analysis of a coupled pitch–plunge–leadlag airfoil-based piezoaeroelastic energy harvesting system

In this paper, an airfoil-based piezoaeroelastic energy harvesting system is proposed with an additional supporting device to harvest the mechanical energy from the leadlag motion. A dimensionless dynamic model is built considering the large-effective-angle-of-attack vibrations causing (1) the nonlinear coupling between the pitch–plunge–leadlag motions, (2) the inertia nonlinearity, and (3) the aerodynamic nonlinearity modeled by the ONERA dynamic stall model. Cubic hardening stiffness is introduced in the pitch degree of freedom for persistent vibrations with acceptable amplitude beyond the flutter boundary. The nonlinear aeroelastic response and the average power output are numerically studied. Limit cycle oscillations are observed and, as the flow velocity exceeds a secondary critical speed, the system experiences complex vibrations. The power output from the leadlag motion is smaller than that from the plunge motion, whereas the gap is narrowed with increasing flow velocity. Case studies are performed toward the effects of several dimensionless system parameters, including the nonlinear torsional stiffness, airfoil mass eccentricity, airfoil radius of gyration, mass of the supporting devices, and load resistances in the external circuits. The optimal parameter values for the power outputs from the plunge and leadlag motions are, respectively, obtained. Beyond the secondary critical speed, it is shown that the variations of the power outputs with those parameters become irregular with fluctuations and multiple local maximums. The bifurcation analysis shows the mutual transitions between the limit cycle oscillations, multi-periodic vibrations, and possible chaos. The influences of these complex vibrations on the power outputs are discussed.     

Performance enhancement of wing-based piezoaeroelastic energy harvesting through freeplay nonlinearity

We investigate experimentally how controlled freeplay nonlinearity affects harvesting energy from a wing-based piezoaeroelastic energy harvesting system. This system consisits of a rigid airfoil which is supported by a nonlinear torsional spring (freeplay) in the pitch degree of freedom and a linear flexural spring in the plunge degree of freedom. By attaching a piezoelectric material (PSI-5A4E) to the plunge degree of freedom, we can convert aeroelastic vibrations to electrical energy. The focus of this study is placed on the effects of the freeplay nonlinearity gap on the behavior of the harvester in terms of cut-in speed and level of harvested power. Although the freeplay nonlinearity may result in subcritical Hopf bifurcations (catastrophic for real aircrafts), harvesting energy at low wind speeds is beneficial for designing piezoaeroelastic systems. It is demonstrated that increasing the freeplay nonlinearity gap can decrease the cut-in speed through a subcritical instability and gives the possibility to harvest energy at low wind speeds. The results also demonstrate that an optimum value of the load resistance exists, at which the level of the harvested power is maximized.     

Camber effects in the dynamic aeroelasticity of compliant airfoils

This paper numerically investigates the effect of chordwise flexibility on the dynamic stability of compliant airfoils. A classical two-dimensional aeroelastic model is expanded with an additional degree of freedom to capture time-varying camber deformations, defined by a parabolic bending profile of the mean aerodynamic chord. Aerodynamic forces are obtained from unsteady thin airfoil theory and the corresponding compliant-airfoil inertia and stiffness from finite-element analysis. V–g and state-space stability methods have been implemented in order to compute flutter speeds. The study looks at physical realizations with an increasing number of degrees of freedom, starting with a camber-alone system. It is shown that single camber leads to flutter, which occurs at a constant reduced frequency and is due to the lock in between the shed wake and the camber motion. The different combinations of camber deformations with pitch and plunge motions are also studied, including parametric analyses of their aeroelastic stability characteristics. A number of situations are identified in which the flutter boundary of the compliant airfoil exhibits a significant dip with respect to the rigid airfoil models. These results can be used as a first estimation of the aeroelastic stability boundaries of membrane-wing micro air vehicles.     

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。     

带附加质量块的压电圆板能量采集器振动分析

基于圆板的压电能量采集技术在取代化学电池为低功耗电子器件提供能源方面具有巨大的潜能. 本文通过理论建模和数值仿真研究了考虑附加质量接触面积的压电圆板能量采集器的采集性能. 首先, 基于基尔霍夫薄板理论, 用广义哈密顿原理推导了带附加质量块的压电圆板能量采集器的机电耦合方程, 并用伽辽金法对方程近似离散, 通过离散方程得到电压、功率输出和最优负载阻抗的闭合解. 用有限元仿真对所提出的理论模型进行了验证, 结果表明该理论模型可以成功地预测压电圆板能量采集器输出电压和功率. 最后, 基于闭合解探讨了负载阻抗、附加质量块、压电圆板的内外半径等相关参数对压电圆板能量采集器固有频率、输出电压和功率的影响. 结果表明, 当质量块与复合板的接触半径足够小(本文中接触半径小于板半径的1/14)时, 质量块与复合圆板的接触面积可以忽略; 相较于无孔的压电片, 内径位于2.5 ~ 4 mm范围内的压电片可以提高能量采集器的采集性能; 附加质量、压电片外径和负载阻抗的合理选择既可以降低压电圆板的固有频率, 还可以提高其采集性能.      

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.      

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.